KR20090083472A

KR20090083472A - 삼염화 갈륨 주입 구조

Info

Publication number: KR20090083472A
Application number: KR1020097012937A
Authority: KR
Inventors: 샨탈 아레나; 크리스티안 워코벤
Original assignee: 에스. 오. 이. 떼끄 씰리꽁 오 냉쉴라또흐 떼끄놀로지
Priority date: 2006-11-22
Filing date: 2007-11-15
Publication date: 2009-08-03
Also published as: JP2010510166A; WO2008064083A2; US8323407B2; EP2084304B1; EP2084304A2; US20120048182A1; JP6117169B2; KR101330156B1; US8197597B2; EP2084304A4; US20090178611A1; JP2015098434A; WO2008064083A3; JP5656184B2

Abstract

본 발명은 반도체 처리 설비 및 방법에 관한 것으로, 특히, 광학 및 전자부품의 제조, 에피텍셜 증착을 위한 기판으로 사용, 웨이퍼 등을 위해 적당한 3-5족 화합물 반도체 웨이퍼의 연속된 대량생산을 위한 설비 및 방법을 제공한다. 양호한 실시예들에서, 장치 및 방법은 3-N(질소)족 화합물 반도체 웨이퍼, 특히, GaN 웨이퍼를 생산하기 위해 최적화된다. 특히, 방법은 한 개 이상의 기판에 반도체 재료의 연속된 대량생산을 제공하기에 충분한 조건하의 반응 챔버에서 한 반응물인 다량의 가스상태의 3족 선구체를 또 다른 반응물인 다량의 가스상태의 5족 성분과 반응시키는 단계를 포함하며, 가스상태의 3족 선구체는 적어도 48시간 동안 50g 3족 원소/시간의 질량유량으로 연속적으로 제공된다. 또한, 방법을 수행하기 위한 시스템도 제공된다.

Description

삼염화 갈륨 주입 구조{Gallium trichloride injection scheme}

본 발명은 반도체 처리 설비 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 광학 및 전자부품의 제조, 에피텍셜 증착(Epitaxial deposition)용 기판으로 사용 등에 적당한 3-5족 화합물 반도체 웨이퍼의 대량생산(High volume manufacturing: HVM)을 위한 설비 및 방법에 관한 것이다. 양호한 실시예들에서, 장치 및 방법은 3족 질화물 반도체 웨이퍼, 특히, 질화갈륨(GaN) 웨이퍼를 생산하는 것과 관련된다.

3-5족 화합물들은 널리 사용되는 중요한 반도체 재료들이다. 특히 3족 질화물들은 넓은 다이렉트 밴드갭(direct band gap)을 가지며, 이에 의해 3족 질화물들은 광학 부품들(특히, 단파장 LED들과 레이져들) 및 전자 부품들(특히, 고온/고출력 트렌지스터들)을 제조하기에 특히 유용하다.

3족 질화물들은 특별히 유리한 반도체 특성들을 갖는 것으로 수십년 간 알려져 왔다. 하지만, 그것들의 상업적인 사용은 쉽게 입수할 수 있는 단결정(single crystal) 기판들의 부족으로 인해 실질적으로 지체되어 왔다. 실리콘 또는 GaAs와 같은 다른 반도체들을 위해 사용돼 왔던 쵸콜라스키법(Czochralski), 수직 경사 응고법(Vertical gradient freeze: VGF), 브리지만법(Bridgeman) 또는 플롯 존법(Float zone)과 같은 전통적인 방법들을 사용하여 3족-질화 화합물들의 커다란 단결정 기판들을 성장시키는 것은 불가능하다. 이는 분해를 유발하는 Ga-N 결합의 높은 결합 에너지 때문이며 또한 대기압에서 GaN이 융해되지 않기 때문이다. GaN을 용융시키기 위해서는 매우 높은 압력과 온도(2500℃ 및 4Gpa 초과 압력)가 요구된다. 다양한 고압 기술들이 고안되었으나, 그 기술들은 극히 복잡할 뿐 아니라 매우 작은 불균질 결정들을 초래한다.(A. Denis et al, Mat. Sci. Eng. R50(2006) 167.)

천연적인 단결정 기판의 부족은, 낮은 결함밀도 그리고 필요한 전기적, 광학적 성질들을 갖는 에피텍셜 3족 질화물 층들을 제조하는데 어려움을 가중시킨다. 또 다른 어려움은 실제적인 장치들에서의 사용을 위한 충분한 도전성을 갖는 p-형 GaN을 제조하는 것이 불가능하다는 것이었다. 적어도 1970년대 초반부터 반도체 규격 GaN을 생산하려는 시도들이 시작되었으나, 다음 두 해결법이 개발된 1990년대 후반까지는 아무런 실용적인 진전이 없었다. 첫 번째 해결법은 사파이어 상에서의 3족 질화물 층들의 만족스러운 성장을 이끌어낸, 저온 GaN 및 AlN 버퍼층들의 사용이었다. 두 번째 해결법은 만족스러운 p-형 도전성을 얻는 공정의 개발이었다. 이러한 기술적 진보들에도 불구하고, 3족-질화물 층들에서의 결함밀도(defect density)는 여전히 극히 높고(전위들(dislocations)에 대해 1E9 - 1E11 cm^-3), p-형 도전성은 다른 반도체들 만큼 높지 않다. 이러한 제약들에도 불구하고, 위와 같은 진보들은 LED들에 적합한 3족 질화물 에피텍셜막들의 상업적 생산을 이끌어 냈다(참조예: Nakamura et al, 2nd ed. 2000, The Blue laser Diode, Springer-Verlag, Berlin).

높은 결함밀도는 비천연 기판 상에서의 성장의 결과물이다. 사파이어는 탄화규소(silicon carbide)에 이어 가장 널리 사용되는 기판이다. 3족 질화물 에피텍셜층과 기판 사이에서의 격자 상수(latice constant), 열팽창계수 및 결정 구조의 차이들은 3족 질화물 막들 또는 기판의 높은 결함밀도, 응력, 균열(cracking)을 야기한다. 또한, 사파이어는 매우 높은 저항을 가지며(전도성이 될 수 없는 정도) 열 도전성이 불량하다.

SiC 기판들이 전도성이면서 높은 저항성을 갖는 형태로 제조될 수 있지만, 사파이어보다 훨씬 더 고가이고 더 작은 직경들(전형적으로는 50mm, 실험적으로는 150mm 및 200mm)에서 단지 유용할 뿐이다. 이는 저비용이면서 훨씬 더 큰 직경들(사파이어는 150mm; GaAs는 300mm)에서 유용한 사파이어 기판 그리고 GaAs 및 실리콘과 같은 다른 반도체용 천연 기판들과 대조적이다.

사파이어와 SiC의 사용은 몇몇 응용 장치들에 적합하지만, 이러한 기판들에서 성장하는 3족 질화물 층들과 관련되는 높은 결함밀도는 레이저 다이오드의 수명을 단축시킨다. 3족 질화물 레이저 다이오드는 그것들의 보다 짧은 파장들이 광학적 기록 방법들에서 더 높은 정보 밀도를 가능케 하기 때문에 특별한 장점이 있다. 낮은 결함밀도를 갖는 기판들이 백열 및 형광 전구들을 대체를 위해 요구되는 보다 밝은 LED들을 이끌어 낼 것으로 기대된다. 마지막으로, 3족 질화물 재료는 고 주파수, 고 출력의 전자기기들을 위한 바람직한 특성들을 갖지만, 이러한 기기들의 상업화는 특히 기판의 한계 때문에 달성되지 못하였다. 전자기기들에서 높은 결함밀도는 성능 불량 및 신뢰성 문제를 야기한다. 사파이어의 낮은 도전성은 활성 디 바이스 영역으로부터 열을 제거하는 것이 절대적인 고출력 장치들에서의 사용을 어렵게 한다. (레이저들 또는 LED들과 비교하여) 보다 큰 기기 사이즈들이 보다 낮은 비용, 보다 큰 면적의 기판들을 요구하는 전자기기 시장에서, SiC 기판들의 작은 직경 및 고비용은 상업적으로 유용하지 않다.

비천연 기판들 상에서 에피텍셜 3족 질화물들의 결함밀도를 더 감소시키기 위한 많은 방법들이 연구되어 왔다. 불행하게도 성공적인 방법들 역시 복잡할 뿐만 아니라 고가이고 비용이 문제되지 않더라도 비이상적이다. 한가지 공통적인 접근방법은 에피텍셜 측방향 과도성장(epitaxial lateral overgrowth: ELO)의 형태를 사용하는 것이다. 이러한 기술에서는, 기판이 부분적으로 마스크되고 그러한 마스크 상에서 3족 질화물 층이 측방으로 성장하도록 제어된다. 마스크 위의 에피텍셜막은 크게 감소된 전위밀도(dislocation density)를 갖는다. 하지만, 개방 영역에서의 에피텍셜막은 여전히, 마스크되지 않은 기판에서 수행될 때와 같은 높은 전위밀도를 갖는다. 게다가, 인접한 측방향 과도성장 영역들이 만나는 곳에 추가적인 결함들이 발생된다. 전위밀도를 더 감소시키기 위해, 복합적인 ELO 단계들을 수행할 수 있다. 이것은 매우 비싸면서 시간 소모적인 공정임이 명백하며, 결국 일부 영역에서는 낮은 전위밀도, 일부 영역에서는 높은 전위밀도를 갖는 불균질 기판을 발생시킨다.

결함밀도를 감소시키기 위해 현재까지 가장 성공적인 접근방법은 3족 질화 물질의 매우 두꺼운 층들을 성장시키는 것이다. 성장이 진행되면서 전위들이 성장 방향과 완전히 평행한 방향으로 배치되지 않기 때문에, 전위들 중 일부는 서로 만 나서 소멸된다. 이것이 효과적이기 위해서는 층들을 300 내지 1000㎛ 까지 성장시킬 필요가 있다. 이러한 접근 방법의 이점은 층이 기판에 걸쳐 균질하다는 것이다. 이러한 층 두께를 실질적으로 성취할 수 있는 성장 화학작용(growth chemistry) 및 관련 설비를 찾는 것은 어렵다. 앞서 설명된 다수의 ELO 기술들이 수십 마이크론의 성장을 요구함에도, MOVPE 또는 MBE 기술들은 1 내지 약 5 ㎛/hour 보다 작은 성장률을 가지며 따라서 너무 느리다. 높은 성장률을 성공적으로 얻는 유일한 성장 기술은 에피텍시법(hydride vapor phase epitaxy: HVPE)이다.

요약하면, 저전위 3족 질화물 재료를 제조하는 현 기술 수준은 매우 두꺼운 층들을 제조하기 위해 HVPE를 사용하는 것이다. 하지만 현재의 HVPE 공정 및 설비 기술은 높은 성장률을 달성할 수 있는 반면 많은 단점들을 지니고 있다. 이에 본 발명은 이러한 단점들을 극복하고, 가정용 및 산업용 조명 시스템들에서 새로운 혁신적 제품들을 이끌어 낼수 있는 비교적 저비용, 고품질의 3족 질화물을 제공한다.

본 발명은 단결정 3-5족 반도체 재료의 에피텍셜 증착 방법 및 그 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 방법은 반도체 재료를 제공하기에 충분한 조건하의 반응 챔버에서 한 반응물인 다량의 가스상태의 3족 선구체(Precursor)를 또 다른 반응물인 다량의 가스상태의 5족 성분과 반응시키는 단계를 포함한다. 가스상태의 3족 선구체는 반응 챔버에 주입되기 전에, 반도체 재료의 제조를 쉽게 하도록 바람직하지 않는 선구체 화합물이 반응 챔버 내부로 유입되는 것을 방지하기에 충분한 고온으로 가열된다.

일반적으로, 바람직하지 않는 선구체 화합물은 3족 선구체와 5족 성분의 반응을 감소시키는 상기 선구체의 이량체, 삼량체, 또는 다른 분자 변종을 포함한다. 3족 선구체가 가스상태의 삼염화 갈륨일 때, 본 발명의 방법은 가스 상태의 삼염화 갈륨을 반응 챔버에 주입시키기 전에 삼염화 갈륨 이량체 또는 삼량체를 분해시키기에 충분한 온도로 선구체를 가열시키는 단계를 포함한다. 대체로, 가스상태의 삼염화 갈륨은 반응 챔버에 주입되기 전에 적어도 700℃로 가열된다.

대량생산을 위해, 가스상태의 3족 선구체는 반응존 내부로 적어도 48시간 동안 적어도 50g 3족 원소/시간의 질량유량(Mass flow)으로 연속적으로 공급될 수 있다. 가스상태의 5족 성분은 질소 함유 성분일 수 있고, 단결정 3족 질화물이 제공되도록 실질적으로 가스상태의 3족 선구체의 양 보다 더 많은 양으로 공급된다. 또한, 질소 함유 성분은 질소 가스의 프라즈마-활성화에 의해 발생된 질소 이온 또는 기(Radical) 또는 암모니아와 같은 질소 함유 가스일 수 있다.

반응 챔버는 일반적으로 하나 이상의 벽을 포함하며, 본 발명의 방법은 한 개 이상의 기판 위에 반응을 제공하여 단결정 재료의 생성을 최적화하도록 제어된 방식으로 3족 선구체와 5족 성분을 반응 챔버 내부로 주입시키는 단계를 더 포함한다. 특히, 반응 챔버은 바닥, 천장, 한 쌍의 측벽, 개방 입구, 및 개방 출구를 포함할 수 있으며, 본 발명의 방법은 가열된 3족 선구체를 반응 챔버의 바닥 내의 슬롯을 통해 주입시키는 단계를 더 포함한다. 가스상태의 3족 선구체는 슬롯에 인접한 노즐에서 가열되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 단결정 3-5족 반도체 재료를 형성하기 위한 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 시스템은 한 반응물인 가스상태의 3족 선구체의 소스; 또 다른 반응물인 가스상태의 5족 성분의 소스; 단결정 3-5족 반도체 재료를 형성하도록 반응물들을 반응시키기 위해 반응물들을 수용하는 반응 챔버; 및 가스상태의 3족 선구체를 반응 챔버에 주입시키기 전에 반도체 재료의 제조를 쉽게 하도록 반응 챔버 내부로 바람직하지 않는 선구체 화합물이 유입되는 것을 방지하기에 충분한 고온으로 가열시키는 가열장치;를 포함한다.

가스상태의 3족 선구체의 소스는 반도체 재료의 대량생산을 쉽게 하도록 선구체를 적어도 48시간 동안 적어도 50g 3족 원소/시간의 질량유량으로 연속 공급하기에 충분하게 크다. 양호한 일시예에서, 반응 챔버는 수평 장방형 챔버(Chamber)로 구성되고, 반응물들을 주입시키기 위한 구멍들(Apertures)은 반응물들이 반도체 재료를 증착하기 위해 한 개 이상의 기판 위에 바로 인접한 선결지점에서 만날 때 까지 반응하는 것을 피하도록 반응 챔버의 타 부분들에 위치된다. 반응 챔버는 일반적으로, 바닥, 천장, 한 쌍의 측벽, 개방 입구, 및 개방 출구를 포함한다. 한 개의 반응물 주입 구멍은 반응물을 반응 챔버로 주입하기 위해 바닥 내의 수평 슬롯을 포함하고, 이 슬롯은 반응물을 주입시켜 또 다른 반응물과 반응시키기 위한 선결지점으로 향하도록 하는 크기로 구성된다. 가스상태의 3족 선구체의 소스는 일반적으로, 선구체를 슬롯을 통해 반응 존 내부로 주입시키도록 슬롯과 가스 유동 연결된다.

본 발명의 시스템은 내부에 열전달 물질을 내장하는 노즐을 포함하는 반응물 주입장치를 포함하는 것이 바람직하다. 반응물 주입장치는 선구체를 반응 챔버 내부로 주입하기 전에 가열하도록 가열장치와 작동 연결된다. 가스상태의 3족 선구체가 삼염화 갈륨일 때, 가열장치는 삼염화 갈륨을 반응 챔버에 주입시키기 전에 삼염화 갈륨 이량체 또는 삼량체를 분해시키도록 삼염화 갈륨을 적어도 700℃로 가열시킨다.

반응 챔버는 일반적으로 단결정 반도체 재료가 증착될 한 개 이상의 기판을 고정하기 위한 회전가능 지지부를 포함한다. 또한, 반응 챔버는 또 다른 반응물을 위한 한 개의 주입 구멍을 더 포함한다. 또 다른 반응물을 위한 한 개의 주입 구멍은 한 개 이상의 기판상에 단결정 반도체 재료를 효율적으로 형성하도록 또 다른 반응물을 선결지점으로 향하게 하는 주입 노즐을 포함한다.

반응 챔버는 일반적으로 석영으로 만들어진다. 또한, 반응 챔버는 밀폐부(Enclosure)에 의해 둘러싸여 있을 수 있다. 밀폐부는 반응 챔버 벽의 온도를 낮춰서 반응 챔버 벽 상의 생성물에 의한 반응 또는 3족 선구체의 증착을 감소 또는 방지하도록 하여 유지가 필요하기 전까지의 가동 수명을 더 연장시키도록 공기를 밀폐부내로 순환시키기 위한 한 개 이상의 팬과 작동 연결된다.

본 발명의 다른 양상 및 상세구성과 구성요소들의 선택적인 조합들은 첨부도면과 다음의 상세한 설명으로부터 명백히 이해될 수 있을 것이다. 또한, 이러한 사항은 본 발명의 범위 내에 있다.

본 발명은 본 발명의 특정 실시예들의 예시적인 예인 본 발명의 양호한 실시예의 다음 상세한 설명으로부터 더욱 완전히 이해될 수 있다.

도 1은 본 발명의 시스템을 개략적으로 예시한다.

도 2A 내지 도 2C는 양호한 GaCl₃소스들을 예시한다.

도 3A 내지 도 3C는 양호한 반응 챔버들을 예시한다.

도 4는 양호한 전달/반응 챔버 조합을 개략적으로 예시한다.

도 5는 양호한 입구 메니폴드 구조를 개략적으로 예시한다.

도 6은 선택적인 반응물 가스 입구 배치를 개략적으로 예시한다.

다른 도면에 나타나는 동일 참조부호는 동일 구조를 표시하도록 사용된다.

본 발명은 지금까지 불가능했던 3-5족 화합물 반도체 웨이퍼의 대량생산과 고 성장율을 위한 설비 및 방법을 제공한다. 본 발명의 설비는 수 주 또는 수 개월 동안 유지를 위해 생산을 중단할 필요를 없게 하는 연속된 생산을 가능하게 한다. 설비는 적어도 하나의 웨이퍼(또는 한 배치의 웨이퍼들)가 한 시간 내지 4 시간 마다 생산될 수 있게 하는 높은 처리량의 생산을 가능하게 한다. 이와 같이 생산된 3-5족 화합물 반도체 웨이퍼는 광학 및 전자부품, 추가 에피텍셜 증착용 기판, 및 다른 반도체 재료 적용물의 제조에 적당하다.

양호한 실시예들에서, 본 발명의 설비와 방법은 특별히 GaN 질화물 웨이퍼를 생산하는 것과 관련되며, 그러한 실시예들은 다음 설명의 중요 초점이다. 이러한 설명 초점은 단지 간략화를 위한 것이며, 본 발명을 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다. 양호한 실시예들은 다른 3족 질화물, 예를들면, 질화 알루미늄, 질화 인듐, 및 질화 알루미늄/갈륨/인듐 혼합물로 이루어진 웨이퍼와 3족 인화물과 비화물로 이루어진 웨이퍼를 생산하는데에도 쉽게 적용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 어떤 3-5족 화합물의 반도체 웨이퍼 또는 반도체를 생산하는 것을 포함한다.

본 발명은 현재 Si의 에피텍셜 증착을 위해 상업적으로 이용할 수 있는 설비를 수정하는 것에 의해 특정 실시예들을 구현할 수 있기 때문에 비용 측면에서 특히 효과적이다. 그러므로, 발명의 초점이 특별히 GaN 에피텍시에 중요한 구성요소들과 특징들에 있지만, 실리콘 기술에서 양호하게 연구 개발되는 대량생산과 관련된 양상들에도 유지될 수 있다. 또, 본 발명의 설비는 대량생산이 가능하도록 아주 큰 듀티 사이클(Duty cycle)을 가지도록 설계된다. 또, 본 발명은 제한된 비가동시간을 가지며, 실제로 증착되지 않고 반응 챔버장치로부터 배출되는 Ga를 회수하여 재활용하는 것에 의해 고가의 Ga의 사용시 실질적으로 100% 효율을 제공한다. 또한, 본 발명의 프로세스와 장치는 Ga 선구체의 경제적인 사용을 포함한다.

본 발명은 온도 제어형 반응기 벽과 함께 램프 가열 및 공지된 저 축열 서셉터(Low thermal mass susceptor)(기판 홀더)를 사용하는 것을 포함한다. 램프 가열을 사용함으로서 열 에너지는 주로 서셉터와 결합되고, 반응기 벽을 가열하지 않는다. 램프 가열 시스템은 램프들의 출력을 매우 빨리 변화시킬 수 있는 제어시스템을 갖추고 있다. 램프 가열 시스템과 결합된 저 축열 서셉터는 상승시와 하강시 모두에서 매우 빠른 온도변화를 가능하게 한다. 온도 기울기율(Ramp rate)은 2-10 deg/sec의 범위, 바람직하게는 4-7 deg/sec 범위 안에 있다.

본 발명은 바람직하지 않는 기상 반응(Gas phase reaction)을 최소화하고 벽들 상의 증착을 방지하도록 특정 온도로 제어되는 반응기 벽들을 포함한다. 벽 증착의 결핍은 성장율, 스트레스 및 타 관련 성장 변수들에 대한 인-시튜 모니터링(In-situ monitoring)을 쉽게 할 수 있게 한다.

본 발명은 3족 선구체를 위한 한 개 이상의 외부 소스를 포함한다. 3족 선구체의 유동은 전자 질량유량 컨트롤러에 의해 직접 제어된다. 외부 3족 소스는 크기에 관한 실질적인 제한이 없다. 3족 소스 컨테이너들은 50kg에서부터 100 내지 300 kg의 범위 내에 있을 수 있고, 컨테이너들 사이의 스위칭이 정지시간 없이 가능하도록 여러 개의 소스 컨테이너들이 함께 메니폴드으로 연결될 수 있다. GaN 증착을 위한 Ga 선구체는 GaCl₃이다. 이러한 Ga 소스는, GaCl₃가 충분한 저 점도 상태로 있을 때 예를들면 액체 GaCl₃를 통해 캐리어 가스를 버블링하는 일반적인 물리적 수단이 충분한 GaCl₃ 증발율을 제공할 수 있고 GaCl₃이 110 내지 130℃ 범위의 양호한 온도에서 그러한 저 점도 상태를 나타낸다는 관찰과 발견을 기반으로 한다.

본 발명은 GaCl₃를 저 점도 상태에서 일정한 온도와 압력으로 유지하기 위한 설비, 및 액체 GaCl₃를 통해 제어된 양의 가스를 유동시키고 GaCl₃증기를 반응기로 운반시키기 위한 설비를 포함한다. 이 설비는 고 질량유량의 GaCl₃(200 내지 400 g/hour의 범위)를 유지하여, 서셉터 상에 고정된 한 개의 200mm 직경의 기판 또는 일정 갯수의 소 웨이퍼 상에서 100 내지 400 ㎛/hour 범위의 GaN 증착율을 얻게 할 수 있다. GaCl₃컨테이너로부터의 운반 시스템은 GaCl₃의 액화를 방지하도록 특정 온도 프로파일로 유지된다.

또, 본 발명은 증착 존에 도달 할 때까지 3족 및 5족 가스를 분리하여 유지하는 입구 메니폴드 구조를 포함하며, 증착 존내에서 고 기상 균질성을 확보하여 반응 챔버 내부 및 기판을 지지하는 서셉터를 통과하는 공정가스의 균일한 유동을 확보하기 위한 방법도 제공한다. 공정가스 유동은 실질적으로 유동속도와 화학적 증착 측면 모두에서 균일하도록(그 결과, 비 난류 유동과 균일한 3족/5족 비율을 가지도록) 설계된다. 한 양호한 실시예에서, 이것은 3족 및 5족 가스를 위한 1차 입구 포트들을 분리하여 제공함으로서 반응기의 폭을 가로지르는 균일한 가스분포를 제공하여 고 균일성을 달성하는 것에 의해 구현된다. 양호한 실시예들에서, 메니폴드과 포트 구조는 유체 동역학의 원리에 따라 가스 유동을 모델링하는 것에 의해 설계 및 개량된다.

또, 본 발명은 선구체들의 반응 효율을 향상시키도록 3족 또는 5족 입구의 각각 또는 모두에 에너지를 부가하는 방법을 포함한다. 한 양호한 실시예에서, 이것은 3족 선구체 Ga₂Cl₆의 이량체 형태의 단량체 GaCl₃로의 열분해를 위한 방법을 포함할 수 있다. 또 다른 양호한 실시예에서, 이것은 예를들면 열분해 또는 플라즈마에 의한 암모니아 선구체 분해방법을 포함할 수 있다.

또, 본 발명은 모두 완전히 컴퓨터로 제어되고 전체 성장 프로그램에 인터페이스되고, 완전 자동화된 카세트 투 카세트 로딩부(cassette-to-cassette loading), 분리된 냉각 스테이지들, 로드 락들(load locks), 및 비접촉 웨이퍼 핸들러들을 포함하는 자동화된 웨이퍼 핸들링을 위한 설비를 포함한다.

또, 본 발명은 반응기 입구와 출구 플랜지들 및 배기 시스템의 온도 컨트롤, 및 감소된 압력 및 고온으로 작동할 수 있는 특별 설계된 압력 규제밸브를 포함한다. 온도 컨트롤은 이들 영역에서 조기 기상 반응을 방지하고 여러가지 반응 부산물 뿐 아니라 GaN 증착을 최소화한다. 주요 반응 부산물은 NH₄Cl이다. 반응기의 전체 배기 하류부의 온도는 NH₄Cl의 응축을 방지하도록 제어된다.

또, 본 발명은 반응기의 측벽들과 밸브 재료 상에서의 증착을 감소시킴과 함께 가스 재순환을 감소시켜 반응기 내의 가스의 잔류시간을 감소시키도록 가스 퍼지 게이트 밸브(Gas purged gate valve)를 포함한다.

본 발명의 추가 양상과 세부구성은 한 성장 가동(Run) 동안 한 개 이상의 웨이퍼를 고정하는 서셉터와 긴 성장 가동 동안 서셉터에 대한 기판의 부착을 방지하도록 설계된 서셉터의 사용을 포함한다.

본 발명은, 특정 금속 할로겐화 화합물들이 고유한 화학적 특성을 가지고 있고 이들 특성을 반영하여 설계된 장치와 겹합될 때 지금까지 달성할 수 없었던 대량생산의 특징인 고 처리량, 고 가동시간, 및 저 비용으로 두꺼운 층의 3-5족 화합물 반도체들, 특히, 질화 갈륨을 증착하는데 사용될 수 있다는 발견을 토대로 한다.

본 발명에서, 대량생산(high volume manufacturing)(또는, HVM)은 고 처리 량, 고 선구체 효율 및 고 설비 이용율(Utilization)의 특징을 나타낸다. 처리량은 시간당 처리될 수 있는 웨이퍼의 수를 의미한다. 선구체 효율은 시스템에 주입된 재료가 제품으로 된 것과 소모되지 않는 것의 비율을 의미한다. 재료, 공정, 및 구조와 관련한 많은 변수가 있지만, HVM 증착율은 적어도 48시간의 기간 동안 시간당 약 50g 3족 원소(예를들면, 갈륨)에서부터 적어도 100시간의 기간 동안 시간당 100g 3족 원소, 적어도 일 주일의 기간 동안 시간당 200g 3족 원소, 및 적어도 한 달의 기간 동안 시간당 300 내지 400g 3족 원소 만큼 까지의 범위를 가진다. 일반적인 소스 용량은 한 베슬(Vessel)에서 5에서 60 kg 까지의 범위를 가질 수 있고, 증가된 HVM의 경우는 복수 개의 베슬들이 직렬로 운영될 수 있다. 이것은 실리콘 생산시 얻은 것과 유사한 3-5족 재료의 처리량을 제공할 수 있다.

설비 이용율은 기판이 반응기 내에 있는 시간을 24시간과 같은 일정시간의 기간과 비교한 비율을 의미한다. HVM의 경우, 대부분의 시간은 설치, 측정, 청소 또는 메인터넌스와 반대되는 제품을 생산하는데 소비된다. 이러한 기준들의 양적인 범위는 발달된 실리콘 반도체 처리 기술에서 구할 수 있다. 3-5족 재료의 HVM을 위한 설비 이용율은 실리콘 에피텍셜 증착설비와 유사한 약 75 내지 85%이다.

반응기 이용율은 반응기 내에서 기판상에 재료 성장이 발생하는 동안의 기간이다. 종래의 HVPE의 경우, 이 값은 약 40 내지 45%인 반면, 본 명세서에서 서술한 HVM은 약 65 내지 70%이다.

성장 이용율은 반응기 내에 기판이 제공된 후 반응기 내에서 기판상에 재료 성장이 발생하는 기간을 의미하는 반응기 내의 오버헤드 시간이다. 종래의 HVPE의 경우, 이 값은 약 65 내지 70%인 반면, 본 명세서에서 서술한 HVM은 실리콘 제조 공정의 값과 가까운 약 95 내지 거의 100%이다.

본 발명은 대량생산을 방해하는 현재의 HVPE 기술의 주요 제한을 해소한다. 이것은 현재의 HVPE 인시튜 소스를 외부 소스로 대체하고 현재의 HVPE 고 축열 고온 벽 반응기(HVPE high thermal mass hot wall reactor)를 온도 제어형 벽을 갖는 저 축열 반응기로 대체하는 것에 의해 달성된다. 외부 소스의 사용은 선구체를 충전하기 위해 생산을 중지할 필요를 없게 하고, 설비 이용율을 크게 증가시킨다. 또, 선구체의 질량 플럭스는 전자 질량유량 컨트롤러에 의해 직접 제어되어 성장공정 제어를 향상시키고 수율을 개선한다. 온도 제어형 벽을 구비한 저 축열 반응기는 성장시와 메인터넌스시 모두에서 가열 및 냉각을 위해 필요한 시간을 크게 감소시킨다. 또한, 기판을 급속히 가열하고 냉각하는 기능은 현재의 HVPE 고온 벽 시스템에서 실질적으로 가능하지 않은 다온도 공정을 사용하는 것을 허용한다. 벽 온도를 제어하는 기능은 기상 반응을 감소시키고, 벽 증착을 거의 완전히 차단시킨다. 벽 증착의 차단은 청소 사이의 가동 시간을 크게 증가시켜 반응기 이용율을 높인다.

본 발명은, 특정 할로겐화 화합물이 3-5족 화합물 반도체의 HVPE 증착을 위한 외부 소스로 사용될 수 있고 본 발명에서 구체화된 특정 운반설비와 협력하여 큰 면적에서 고 증착율을 획득하여 유지하기에 충분한 고 질량 플럭스를 제공할 수 있다는 사실을 기반으로 하고 있다. 특히, GaCl₃는 융해될 때 일반적인 물리적 수단 이 예를들면 액체 GaCl₃를 통해 캐리어 가스를 버블링하도록 하기에 충분한 저 점도 상태로 되어 충분한 GaCl₃ 증발율을 제공할 수 있고, GaCl₃은 대략 130℃ 범위의 온도에서 그러한 저 점도 상태를 나타낸다. 또한, 본 발명은 약 400℃ 이하의 온도에서 액체상과 가스상으로 있는 GaCl₃가 이분자체(dimer)라는 사실에 근거를 두고 있다. 이분자체의 화학식은 (GaCl₃)₂또는 Ga₂Cl₆ 중 하나로 기재될 수 있다. Ga₂Cl₆ 에 추가하여, 관련 클로로갈렌(chlorogallanes)이 Ga 선구체로 사용될 수 있다. 이들 화합물은 한 개 이상의 Cl 원자를 H로 대체한 것을 제외하고는 Ga₂Cl₆와 유사하다. 예를들면, 모노 클로로갈렌은 두 개의 교상결합 Cl 원자를 H 원자들로 대체하도록 구성된다. 또한, 아래에 도시한 바와 같이, 말단 Ga-결합 원자는 H로 대체될 수도 있다(이 화합물의 시스(sis) 및 트랜스(trans) 변형도 있음에 주의). B. J. Duke et al, Inorg. Chem. 30 (1991) 4225에 따르면, 이량체의 안정성은 말단 Ga-x 결합의 염소화를 증가시킴과 함께 Cl 치환 당 1-2 kcal/mol 만큼 감소하고, 교상결합하는 H 원자에 대한 각각의 Cl 치환과 함께 6-8 kcal/mol 만큼 증가한다. 그러므로, 치환된 Cl 원자의 수가 감소함에 따라, 일정 온도에서의 단량체의 비율은 감소한다.

In 및 Al 함유 화합물의 성장은 이들 소스가 쉽게 액상으로 유지되지 않는 제한을 갖는 것 외에는 실질적으로 유사한 설비에 의해 달성될 수 있다. InCl₃은 583℃에서 융해된다. GaCl₃에 대해 서술된 본 발명은 583℃ 이상의 온도에서 동작하도록 변경될 수 있지만, 이것은 실질적으로 매우 어렵다. 선택적인 방법은 융해점 아래이지만 증기압이 허용가능한 증착율을 달성하기에 충분한 온도로 InCl₃를 가열하는 것이다.

AlCl₃는 178℃에서 승화하고, 19O℃와 2.5 atm에서 융해된다. GaCl₃에 대해 서술된 본 발명은 AlCl₃의 융점 이상의 온도와 대기압 보다 높은 압력에서 동작하도록 변경될 수 있다. 추가로, 충분히 높은 증기압을 달성하도록 융해점 아래로 가열하는 InCl₃에 대해 상술한 선택적인 방법 역시 사용될 수 있다. AlCl₃ 역시 저온에 서 액상 및 기상의 이량체(AlCl₃)₂를 형성한다.

본 발명의 또 다른 주요 요소는 저 축열 반응기이다. 온도 제어형 벽을 구비한 저 축열 반응기는 성장시와 메인터넌스시 모두에서 가열과 냉각을 위해 필요한 시간을 크게 감소시킨다. 기판을 급속히 가열하고 냉각하는 기능은 현재의 HVPE 고온 벽 시스템에서는 실질적으로 불가능한 다온도 공정을 사용할 수 있게 한다. 벽 온도를 제어하는 기능은 기상 반응을 감소시키고, 벽 증착을 거의 완전하게 벽 차단한다. 벽 증착의 차단은 청소 사이의 가동시간을 크게 증가시켜 반응기 이용율을 높인다.

저 축열은 통상적으로 저온(Cold) 벽 시스템이라 불리는 것을 사용하여 달성되지만, 본 발명에서는 벽 온도가 특정 온도로 제어된다. 현재의 고온 벽 시스템은 노(Furnace) 내에 밀폐되는 것에 의해 가열된다. 새로운 시스템에서는 기판 홀더와 기판만 가열된다. 램프 가열, 유도 가열 또는 저항 가열을 포함하여 이것을 달성하는 많은 방법이 있다. 한 실시예에서, 시스템은 석영으로 구성한 반응 챔버과 흑연으로 구성한 기판 히터로 이루어져 있다. 흑연은 석영 반응기 외부의 램프에 의해 가열된다. 석영 반응기 벽들은 다양한 방법을 사용하여 제어될 수 있다. 대부분의 경우, 벽 온도 제어시스템은, 벽 영역에 대한 온도를 사전 설정값으로 유지하도록 냉각 또는 가열 입력 중 어느 하나를 조절하는 피드백 시스템과 결합되고 다양한 위치에서 벽 온도를 측정하는 한 개 이상의 방법으로 구성된다. 또 다른 실시예에서는 냉각을 위해 반응기 벽의 외면상으로 공기를 송풍하는 팬에 의해 벽 온도가 제어된다. 벽 온도는 항상 일정하게 유지되도록 제어되지 않는다. 즉, 온도 컨트롤러는 성장시 또는 메인터넌스시 동안 향상된 성능을 얻기 위해 온도를 변화하도록 프로그램될 수 있다.

다음 설명의 초점은 1차적으로 질화 갈륨(GaN) 웨이퍼를 생산하기 위한 양호한 실시예에 있지만, 서술된 설비와 방법은 당해 기술분야의 평균적인 숙련자에 의해 본 발명의 범위 내에서 어떤 3-5족 화합물 반도체 웨이퍼라도 생산하도록 쉽게 적용될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 설비는 본 발명의 범위내 있다. 제목은 의도한 제한 없이 단지 간결성을 위해 사용된다.

또한, 본 발명은 구성 및 가동 측면에서 경제적인 GaN 웨이퍼의 대량생산을 위한 설비를 제공한다. 본 발명의 양호한 실시예는 실리콘(Si) 에피텍시(Epitaxy)를 위해 설계되어 상업적으로 이용가능한 현재의 VPE 설비를 변경/수정함으로서 경제적으로 구현/구성할 수 있다. 본 발명을 실행하기 위해, GaN 증착 설비를 위한 모든 구성부품들을 스케치에서부터 설계하고 구성하는, 비용과 시간을 소모하는 과정을 수행할 필요가 없다. 대신, 본 발명의 연속된 고 처리량 GaN 증착 설비는 Si 처리생산에 의해 입증된 기존 설비에 제한된 수정과 타겟을 형성하여 구성함으로서 더 빠르고 경제적으로 구현/구성될 수 있다. 하지만, 위와 같이 기존 설비를 수정함에 따라, 본 발명 역시 새 구성을 포함한다.

따라서, 다음 설명은 GaN 생산을 위한 기존 Si 설비에 포함될 일반적인 양호한 특징과 관련된다. Si 설비로부터 삭제되지 않고 존속될 수 있는 특징은 당해 기술분야에 공지되어 있기 때문에 상세하게 서술하지 않는다. 다른 실시예들에서는 서술될 특징과 다른 특징이 포함될 수 있으므로, 본 발명은 이들 특징 전부를 포함하는 실시예들에 제한되지 않는다. 하지만, 이들 특징의 대부분 또는 전부는 더욱 높은 수준의 연속된 고 처리량 생산에 유리하고, 카세트 투 카세트 로딩부, 로드 락들, 및 빠른 로딩과 언로딩을 가능하게 함과 함께 다른 스테이지가 냉각되는 동안 웨이퍼의 처리를 가능하게 하는 분리된 냉각 스테이지를 구비한 완전 자동화된 웨이퍼 핸들링부를 포함한다. 로드 락들은, 산소와 수증기의 유입을 최소화하고 작업전 퍼지/베이크 시간을 크게 줄이기 위해 바람직하지 않는 반응기의 대기 노출을 차단한다. 또한, 자동화된 핸들링부는 웨이퍼의 수동 핸들링으로 인한 수율 손실과 웨이퍼 손상을 감소시킨다. 일부 경우에는 웨이퍼를 핸들링하여 900℃와 같은 고온에서 고온 로딩과 언로딩을 가능하게 함과 함께 긴 냉각시간을 줄이기 위해 베르누이 완드(Bernoulli wand)가 사용된다.

본 발명의 양호한 특징의 일반적인 실시예들은 먼저 일반적인 VPE 시스템 환경에서 서술된다. 이것은 위와 같은 일반적인 실시예들이 어떻게 상업적으로 이용 가능한 특정 Si 에피텍시 설비에 일반적으로 적용될 수 있는지를 명백하게 될 것이다. 다음 설명은 그 특징이 에이에스엠 아메리카 아이엔시(ASM America, Inc.)(피닉스, 에이제트)에서 입수 가능한 단일 웨이퍼 에피텍셜 반응기의 EPSILON® 시리즈 중의 하나에 근거를 두고 있는 본 발명과 양호한 특정 실시예에 관련된다. 하지만, 본 발명은 이러한 양호한 특정 실시예에 제한되지 않음은 명백하다. 또 다른 예로서, 본 발명은 에이엠에이티(AMAT)(산타클라라, 캘리포니아)의 CENTURA® 시리즈에 쉽게 적용 될 수 있다.

본 발명의 설비 및 방법의 양호한 실시예(GaN 웨이퍼 생산)는 일반적으로 도 1에 관하여 서술된다. 특정한 양호한 실시예는 도 2-5에 관하여 더욱 상세히 서술된다. 일반적으로, 본 발명의 설비는 기판상에 에피텍셜 GaN층들을 대량생성하는 것과 함께 구성 및 가동의 효율성을 위해 설계되고 배열된다.

본 발명의 일반 실시예

본 발명은 편의상 그리고 제한 없이 일반적으로 3 개의 기본 서브시스템에 관하여, 즉, 공정 가스(또는 액체)를 제공하기 위한 서브시스템(1), 반응 챔버를 포함하는 서브시스템(3), 및 폐기물 감소를 위한 서브시스템(5)에 관하여 도 1을 참조하여 서술된다.

위에서 언급한 바와 같이, HVM은 여기에 서술된 시스템의 일반적인 특징을 포함하는 각종 물리적인 특징의 조합의 결과물이다.

1. GaCl ₃ 의 외부 소스

제1서브시스템인 공정가스 서브시스템, 특히 갈륨 화합물 증기 소스의 구조는 본 발명의 중요 특징이다. 공지된 GaN VPE 공정은 아래에 간단히 서술된다. GaN VPE 에피텍시는 질소(N) 및 갈륨(Ga)을 함유하는 선구체 가스(및, 선택적으로, 한 개 이상 혼합 질화물을 형성하기 위한 가스를 포함하는 다른 3족 금속과, 선택적으로, 특정 전자 전도도를 제공하는 한 개 이상 도펀트)로부터 가열된 기판의 표면에 GaN를 직접 합성하는 것을 포함한다. Ga 함유 가스는 보통 일염화 갈륨(GaCl)나 삼 염화 갈륨(GaCl₃), 또는 유기-갈륨 화합물, 예를들면, 트리 에틸 갈륨(TEG)이나 트리 메틸 갈륨(TMG)이다. 앞의 경우의 공정은 HVPE(Halide Vapor Pressure Epitaxy)로 불리고, 뒤의 경우는 MOVPE(Metal Organic Vapor Pressure Epitaxy)로 불린다.

GaCl(고온에서만 안정)의 화학적 특성은, GaCl 증기를 반응 베슬에서, 예를들면, 액체 Ga를 포함하는 보트에 HCl를 통과시키는 것에 의해 인 시튜(in situ)로 합성하는 것을 요구한다. 이에 반하여, GaCl₃는 보통 대략 100g 정도로 각각 밀봉된 석영 앰풀들로 공급되는 주위 조건(습기가 없을 경우)에 안정한 고체이다, TMG와 TEG는 휘발성 액체이다. N 함유 가스는 보통 암모니아(NH₃)이고, 반도체 품질 NH₃는 표준 실린더로 입수할 수 있다.

선택적으로, N 함유 가스로는 예를들면 N 이온 또는 기(Radicals)를 포함하는 플라즈마-활성 N₂가 사용될 수 있다. 분자 N₂는 실질적으로 높은 공정온도에서 조차 GaCl₃ 또는 GaCl과 비반응적이다. 질소 기는 공지의 방법으로 질소 분자를 분열시키는(split) 에너지를 제공하는 것에 의해, 예를들면, 전자기 유도 플라스마를 생성하도록 질소 라인에 RF 소스를 추가하는 것에 의해 준비되는 것이 일반적이다. 이러한 형태로 동작할 때, 반응기내의 압력은 보통 감소된다.

공지의 VPE 공정 중 MOCVD와 GaCl HVPE는 3족 질화물층의 연속된 대량생산에 덜 바람직한 것으로 판명되었다. 첫째로, MOCVD는 달성 가능한 증착율이 HVPE 공정에 의해 달성 가능한 증착율의 5% 이하이기 때문에 lOum 보다 큰 필름의 성장을 위 해서는 덜 바람직하다. 예를들면, HVPE 증착율은 100∼1000μ/hour 또는 그 이상 μ/hour의 범위안에 있을 수 있는 반면, MOCVD 증착율은 일반적으로 10μ/hour 이하이다. 둘째, GaCl HVPE는 HCl과의 반응에 의해 GaCl을 형성하기 위해 반응 챔버 내에 액체 Ga의 공급을 요구하기 때문에 덜 바람직하다. HCl과 반응을 유지하여 대량생산을 충분하게 하는 형태로 액체 Ga의 공급을 유지하는 것은 어려운 것으로 확인되었다.

그러므로, 본 발명의 설비는 주로 대량생산을 위한 GaCl₃ HVPE와 관련된다. 선택적으로, 예를들면 버퍼층의 증착 등을 위해 MOCVD가 제공될 수도 있다. 하지만, 대량생산을 위한 GaCl₃ HVPE의 사용은 충분한 기간 동안 중단 없이(반응 챔버 내의 웨이퍼 로딩/언로딩 제외) 유지될 수 있는 충분한 유량을 제공하는 GaCl₃ 증기의 소스를 요구한다. 평균 연속 증착율은 대략 한 개의 웨이퍼(또는 복수 개의 웨이퍼로 이루어진 한 개의 배치)가 두꺼운 GaN층들의 경우라도 단지 한 시간 또는 두 시간의 증착시간 만을 필요로 하도록 시간당 GaN의 100∼1000 μm/시간의 범위 안에 있는 것이 바람직하다. 그러한 양호한 증착율을 달성하는 것은 소스가 GaCl₃증기의 질량유량을 대략 250 또는 300g/hour으로 제공하는 것을 요구한다 (200mm 원형의 300μm 두께의 GaN층은 약 56g의 Ga를 포함하는 반면, GaCl₃는 약 40 중량% Ga를 포함함). 또한, 상기 유량은 충분한 시간 동안 유지되어, 소스를 재충전하거나 서비스하기 위해 필요한 생산중단이 가급적이면 주당 한 번, 바람직하게는 적어 도 2 주 내지 4 주 마다 한 번으로 제한되는 것이 바람직하다. 따라서, 유량은 적어도 50 개의 웨이퍼들(또는 복수 개의 웨이퍼들의 배치들), 바람직하게는 적어도 100, 150, 200, 250 또는 300 개의 웨이퍼 또는 배치들에 대해 유지될 수 있는 것이 바람직하다. 이러한 소스는 종래 기술에 공지되어 있지 않다.

본 발명의 설비는 양호한 유량 및 시간을 얻기 위한 문제들을 극복하는 GaCl₃ 소스를 제공한다. 이전에는 GaCl₃의 특정 물리적 특성에 의해 양호한 유량을 얻는 것이 방해되었다. 첫째로, 대기 조건에서, GaCl₃는 고체이고, 증기는 승화에 의해서만 형성될 수 있다. 하지만, GaCl₃승화율은 양호한 질량유량으로 증기를 제공하기에 부적당한 것으로 판명되었다. 둘째, GaCl₃는 약 78℃에서 융해되고, 증기는 액체표면으로부터의 증발에 의해 형성될 수 있다. 하지만, 증발율 역시 양호한 질량 유량을 제공하기에 부적당한 것으로 판명되었다. 또한, 증발율을 증가시키기 위한 일반적인 물리적 방법, 예를들면, 교반, 버블링 등은 GaCl₃ 액체가 비교적 점성이 있는 것으로 알려져 있기 때문에 증발율을 충분히 증가시키지 못한다.

필요한 것은 액체 GaCl₃가 충분히 낮은 점도를 갖는 형태이다. GaCl₃은 그러한 저 점도 상태를 대략 120℃에서 처음 나타내고, 특히, 대략 130℃ 이상에서 예를들면 물과 같은 점도를 갖는 저 점도 상태를 나타내는 것으로 관찰 및 발견되었다. 또한, 일반적인 물리적인 방법은 저 점도 상태에서 GaCl₃ 증발율을 양호한 질량유량을 제공하기에 충분한 만큼 효과적으로 올릴 수 있는 것으로 관찰 및 발견되었 다.

그러므로, 본 발명의 GaCl₃ 소스는 액체 GaCl₃의 리저버(Reservoir)를 대략 130℃로 제어된 온도(Tl)로 유지하고, 증발율을 강화하기 위한 물리적인 방법을 제공한다. 그러한 물리적인 방법은 다음 방법, 즉, 액체를 교반시키고, 액체를 스프레이하고, 캐리어 가스를 액체에 대해 급속하게 유동시키고, 캐리어 가스를 액체를 통해 버블링시키고, 액체를 초음파로 이산시키는 것 등을 포함할 수 있다. 특히, He, N₂,또는 H₂ 또는 Ar과 같은 불활성 캐리어 가스를 공지의 장치에 의해 저 점도 상태의 GaCl₃, 예를들면,약 130℃의 GaCl₃를 통해 버블링시키는 것은 양호한 GaCl₃ 질량유량을 제공할 수 있는 것으로 발견되었다. GaCl₃ 소스의 양호한 구성은 리저버 외측에 가열체를 사용하는 더 나은 온도 제어를 위해, 그 양에 비례하여 전체 표면적을 증가시켰다. 예를들면, 예시된 GaCl₃ 소스는 직경 보다는 상당히 더 큰 높이를 갖는 원통형이다. 이것은 GaCl₃의 경우, 적어도 48 시간의 기간 동안 시간 당 12O g의 근처에서 적어도 100 시간의 기간 동안 시간 당 250g, 적어도 일 주일의 기간 동안 시간 당 500g, 및 적어도 한 달의 기간 동안 시간 당 750 내지 1000g 까지 질량유량을 제공할 수 있다.

더욱이, 양호한 질량유량과 존속시간을 얻을 수 있는 GaCl₃ 소스는 개개의 100g 앰플로 공급된 GaCl₃에 의존할 수 없다. 그러한 양은 단지 15 내지 45분 동안 만 연속된 증착이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 GaCl₃ 소스의 추가 양상은 큰 GaCl₃용량이다. 본 발명의 높은 처리량 목표를 달성하기 위해 GaCl₃ 소스를 재충전 하는데 소요되는 시간은 제한되는 것이 바람직하다. 하지만, 재충전은 대기 습기와 쉽게 반응하는 GaCl₃의 특성에 의해 더 복잡해 진다. GaCl₃ 충전라인, 소스라인, 및 GaCl₃공급라인은 웨이퍼 생산전에 습기를 제거해야한다. 다양한 실시예들의 처리량 목표에 따라, 본 발명은 GaCl₃의 적어도 약 25 kg, 적어도 약 35 kg, 또는 적어도 약 50 내지 70kg(상한제한은 소스를 반응 챔버에 매우 근접하게 위치시키는 것에 따른 잇점을 고려하여 크기와 무게의 필요조건에 의해 결정됨)으로 저장할 수 있는 소스를 포함한다. 한 양호한 실시예에서는 GaCl₃ 소스가 약 50과 100kg 사이, 바람직하게는 약 60과 70kg 사이를 저장할 수 있다. 구성과 사용의 설계사항 이외에는 GaCl₃ 소스의 용량에 대한 실제 상한제한은 없다. 또한, 복수 개의 GaCl₃의 소스들이 반응기 정지 없이 한 소스에서 다른 소스로 스위칭을 허용하도록 메니폴드를 통해 설치될 수 있다. 빈 소스는 반응기가 가동되는 동안 제거되어 가득 찬 새로운 소스로 교체될 수 있다.

본 발명의 GaCl₃소스의 다른 양상은 소스와 반응 챔버 사이에 있는 공급라인의 철저한 온도제어이다. GaCl₃공급라인 및 관련 질량유량 센서, 컨트롤러 등의 온도는 공급라인 등에 있는 GaCl₃ 증기의 응축을 방지하기 위해 소스의 출구의 T2에 서 반응 챔버 입구(33)의 T3 까지 점진적으로 증가하는 것이 바람직하다. 하지만, 반응 챔버 입구에서의 온도가 예를들면 석영 반응 챔버을 밀봉하기 위해 공급라인과 반응 챔버 입구에 사용된 가스킷, 오-링 등을 위한 밀봉재료(및 다른 재료)를 손상시킬 만큼 높지 않아야 한다. 현재, 반도체 산업분야에서 상업적인 사용을 위해 입수할 수 있고 Cl 노출에 내저항성이 있는 밀봉재료는 일반적으로 160℃ 보다 더 높은 온도를 견디지 못한다. 그러므로, 본 발명은 GaCl₃ 공급라인의 온도가 소스에서부터 공급라인을 따라 증가하도록(적어도 감소하지 않도록) 공급라인 온도를 감지하여 필요에 따라 공급라인을 가열시키거나 냉각시키는 것(일반적으로, 공급라인 온도를 " 제어하는 것")을 포함한다. 공급라인 온도는 대략 130℃이고, 반응 챔버 입구에서 최대인 대략 145 내지 155℃ (또는, 오-링 또는 다른 밀봉재료의 고온 허용한도 아래의 안전한 다른 온도)인 것이 바람직하다. 필요한 온도제어를 더 잘 구현하기 위해, 소스 장치와 반응 챔버 입구 사이 공급라인의 길이는 짧아야 하며, 바람직하게는, 대략 1 피트, 2 피트 또는 3 피트 보다 작아야 한다. GaCl₃ 소스에 대한 압력은 압력제어 시스템(17)에 의해 제어된다.

본 발명의 GaCl₃ 소스의 또 다른 양상은 GaCl₃ 플럭스의 반응 챔버 내부로의 정확한 제어이다. 버블러 실시예에서는 소스로부터의 GaCl₃ 플럭스는 GaCl₃의 온도, GaCl₃에 대한 압력, 및 GaCl₃를 통해 버블링되는 가스의 유동에 좌우된다. GaCl₃의 질량 플럭스는 원칙적으로 이들 매개변수의 어떤 것에 의해 제어되지만, 양호한 실 시예는 컨트롤러(21)에 의해 캐리어 가스의 유동을 변화시키는 것에 의해 질량 플럭스를 제어하도록 된다. 피에조코르(Piezocor)와 같은 일반적으로 입수가능한 가스 조성 센서 등(71)은 반응 챔버 내부로의 실제 GaC1₃ 질량 플럭스의 추가 제어를 예를들면 초 당 그램(grams per second)으로 제공하도록 사용될 수 있다. 또한, GaC1₃소스에 대한 압력은 버블러의 출구에 위치한 압력제어 시스템(17)에 의해 제어될 수 있다. 압력제어 시스템, 예를들면, 배압 레귤레이터(Back pressure regulator)는 소스 컨테이너 내의 초과 압력(Over pressure)의 제어를 가능하게 한다. 버블러의 제어 온도 및 캐리어 가스의 유량과 함께 컨테이너의 압력 제어는 선구체 유량 결정을 향상 및 촉진한다. 선택적으로, 컨테이너는 절연 외부부분을 포함한다.

GaC1₃소스, GaC1₃ 공급라인, 및 GaC1₃와 접촉하는 입구 메니폴드 구조에 사용된 재료는 내염소성(Chlorine resistant)을 갖는 것이 바람직하다. 금속 성분의 경우, 하스텔로이(Hastelloy)와 같은 니켈 기반 합금, 또는 탄탈 또는 탄탈 기반 합금인 것이 바람직하다. 또한, 금속성분을 위한 내식성은 보호 부식방지 코팅을 통해 제공될 수 있다. 그러한 코팅은 탄화 실리콘, 질화 붕소, 탄화 붕소, 및 질화 알루미늄을 포함할 수 있고, 양호된 실시예에서는 금속성분이 융합 실리카층 또는 결합 비결정질 실리콘 층, 예를들면, 산화환경에 대해 향상된 내식성을 제공하는 것으로 증명된 SILTEK®와 SILCOSTEEL®(레스텍 코오포레이션(Restek corporation)에서 상업적으로 입수가능함)으로 코팅될 수 있다. 비금속 성분의 경우, 내염소성 중합 재료(탄소 또는 실리콘 중합체 중의 어느 하나)인 것이 바람직하다.

이상에 비추어, 양호한 양의 GaC1₃를 저장할 수 있는 양호한 GaC1₃소스는 적당한 일 실시예에서 소스가 서술된 시간의 기간 동안 필요한 양을 운반하도록 중단 없이 저장 GaC1₃를 전달한다는 점에서 이하에서 "연속적으로" 작동하는 것으로 언급된다. 하지만, 특정 실시예에서는 간헐적인 반응 챔버 메인터넌스, 예를들면, 청소 등이 필요하도록 반응 챔버(또는 현재 시스템의 다른 구성요소)을 구성하거나 특정 세부 공정을 수행할 수 있는 것으로 이해해야 한다. 이에 반하여, GaC1₃소스는 3 - 5족 제품의 대량생산을 쉽게 하도록 연속된 방식으로 필요량의 선구체를 제공하도록 구성 및 설계된다. 그러므로, 소스는 가동 정지되거나 고체 선구체의 보충을 위해 중지될 필요없이 필요량을 제공할 수 있다.

이것은 고체 선구체를 단일 리저버에 충분히 큰 양으로 제공하거나 메니폴드로 함께 연결된 복수 개의 리저버를 제공하는 것 중의 하나로 달성될 수 있다. 물론 당해 분야의 숙련자는 메니폴드 시스템(Manifolded system)에서 한 리저버가 가스 상태의 선구체를 제공하도록 동작하는 반면 하나 이상의 다른 리저버는 고체 선구체 재료로 보충되어 반응기의 가동에 아무런 영향을 주지 않기 때문에 시스템을 중단하지 않고 유지하는 것을 이해할 것이다. 그러한 실시예들에서는 GaC1₃소스가 재충진, 개방, 청소, 보충 또는 다른 공정을 완전히 기능을 하지 않는 채 수행하지 않고, 즉, 저장 GaC1₃를 전달하면서 수행한다는 점에서 이하에서 연속적으로 작동하 는 것으로 언급된다. 다르게 말하면, 소스는 스스로 GaN 증착을 중지하는 것을 필요로 하지 않는다.

또한, 서술한 바와 같이, 양호한 GaC1₃소스는 단일 리저버에 GaC1₃를 내장한다. 또, 양호한 소스는 GaC1₃증기가 복수 개의 리저버에서부터 차례로 또는 병렬로 전달될 수 있도록 메니폴드로 결합된 출구들을 구비한 다중 리저버(즉, 2 개, 5 개, 10 개 등)를 포함할 수 있다. 다음에서, 두 실시예들은 단일 소스로 언급된다. 양호한 실시예들에서 본 발명의 설비는 MOCVD 공정이 수행될 수 있도록 3족 유기 금속 화합물을 위한 소스에 대해 제공할 수 있다. 예를들면, MOCVD는 예를들면, 얇은 GaN 또는 AlN 버퍼층, 얇은 중간층, 혼합 금속 질화물층 등을 증착하기 위해 사용될 수 있다. 추가 공정 가스는 당해 기술분야에서 공지된 바와 같이 일반적으로 공급될 수 있다.

5족 선구체는 한 개 이상 5족 원자를 포함하는 가스이다. 그러한 가스의 예는 NH₃, AsH₃ 및 PH₃를 포함한다. GaN의 성장을 위해, NH₃는 일반적인 성장 온도에서 충분한 N의 결합을 제공할 수 있기 때문에 일반적으로 사용된다. 암모니아와 다른 N 선구체는 외부 소스들이다. 예를들면, 반도체급 NH₃는 여러가지 크기의 실린더 (19)로 손쉽게 입수할 수 있고, 캐리어 가스(72)는 여러가지 크기의 콘테이너 내의 극저온 액체 또는 가스로 입수할 수 있다. 또한. 이들 가스의 플럭스는 질량유량 컨트롤러(21) 등에 의해 일반적으로 제어될 수 있다. 선택적인 실시예들에서, 본 발명의 설비는 다른 3족 염화물의 소스를 위해서도 제공할 수 있다.

2. 반응기 구조

다음으로, 향상된 경제적인 이익을 얻기 위해, 반응기 서브 시스템은 상업적으로 입수가능한 반응기 시스템에 적용하는 것이 바람직하다. 본 발명에 적용 및 사용하기에 바람직한 입수가능 반응기들은 현 상태에서 다음에 서술된 특징의 대부분 또는 전부를 포함한다. 이들 특징은 본 명세서에 서술된 수정과 개량을 갖는 GaN층의 HVM을 위해 유용한 것으로 판단된다. 다음 설명은 주로 기존 설비를 적용하는 실시예들에 관련되지만, 반응기와 반응기 시스템은 서술될 특징을 포함하도록 형성된다. 본 발명은 기존 설비를 재설계하고 변경하는 것과 새 설비를 설계하고 제조하는 것을 모두 포함한다. 또한, 본 발명은 결과물로서 얻어지는 설비를 포함한다.

일반적으로, 양호한 반응 챔버은 수평 공정가스 유동을 가지고, 적은 수직 치수와 큰 수평 치수를 갖는 대략 상자 또는 반구 형태로 구성된다. 수평 반응 챔버의 일정 특징은 비생산적인 반응기 시간을 제한함과 함께 품질 GaN 웨이퍼의 HVM을 달성하는데 중요하다.

3. 저 축열 서셉터와 램프 가열

첫째로, 새 웨이퍼들을 장입한 후 온도를 램핑-업하는 데 소요된 시간(Time spent ramping-up temperature)과 증착 작업후 온도를 램핑-다운하는 데 소요된 시간(Time spent ramping-down temperature)은 생산적이지 않으므로 제한되거나 극소 화되어야 한다. 그러므로, 양호한 반응기와 가열 설비는 저열 질량(즉, 열을 빨리 흡수하는 능력)를 구비하고, 열 질량이 작을수록 더 바람직하다. 그러한 한 양호한 반응기는 적외선(IR) 가열램프로 가열되고, IR 투과벽들을 구비한다. 도 1은 석영으로 만들어지고 하부 세로 IR 램프(27)와 상부 투명 IR 램프(29)에 의해 가열되는 반응기(25)를 예시한다. 석영은 충분한 IR 투과성, 충분한 Cl 저항성, 및 충분한 내화성을 가지기 때문에 양호한 반응 챔버 벽 재료이다.

4. 반응 챔버벽과 플랜지에 관한 폐회로 온도제어

반응 챔버 내부를 청소하는데 소요된 시간 역시 생산적이지 않으므로 제한되거나 극소화되어야 한다. GaN 증착공정 동안, 선구체, 생성물, 또는 부산물은 내부 벽에 증착되거나 응결될 수 있다. 그러한 증착 또는 응결은, 일반적으로 선구체와 부산물의 응축을 방지하기 위해서는 충분히 높아야 하지만 반응 챔버 벽 상의 GaN 형성 및 증착을 방지하기 위해서는 충분히 낮아야 하는 중간 온도로 반응 챔버 벽을 냉각시키는 것에 의해 반응 챔버 벽의 온도를 제어하여 상당히 억제시키거나 감소시킬 수 있다. GaCl₃ HVPE 공정에 사용되는 선구체는 약 70 내지 80℃ 아래에서 응결하고, 주요 부산물인 NH₄Cl은 약 140℃의 아래에서만 응결하며, GaN는 약 500℃를 초과하는 온도에 형성 및 증착하기 시작한다. 반응 챔버 벽은 선구체와 부산물 응축을 상당히 제한하기에 충분하게 높은 것으로 판명된 200℃와 반응 챔버 벽 상의 GaN 증착을 상당히 제한하기에 충분하게 낮은 것으로 판명된 500℃ 사이인 것이 바람직한 온도(T5)로 제어된다. 반응 챔버 벽을 위한 양호한 온도범위는 250 내지 350℃이다.

양호한 범위의 온도제어는 일반적으로 반응 챔버 벽을 냉각시키는 것을 요구한다. 반응 챔버 벽은 IR을 투과하지만, 고온 서셉터로부터 전달된 열에 의해 몇 도 까지 가열된다. 도 1은 반응 챔버(25)이 완전 또는 부분 시라우드(37)내에 내장되고 냉각 공기가 시라우드를 통해 반응 챔버의 외부 위 및 주위를 향하도록 된 양호한 냉각배치를 예시한다. 벽 온도는 적외선 고온 측정기에 의해 측정되고, 냉각공기 유동은 그에 따라 조절될 수 있다. 예를들면, 다중 속도 또는 가변 속도 팬(또는 팬들)이 제공되어, 반응 챔버 벽 온도에 민감한 센서들에 의해 제어될 수 있다.

5. 로드락, 카세트 투 카세트

웨이퍼 로딩 및 언로딩 시간 역시 생산적이지 않다. 이것은 부호(39)로 개략적으로 예시한 자동 설비에 의해 일반적으로 제한될 수 있다. 당해 기술분야에 공지된 바와 같이, 이 설비는 웨이퍼들을 저장하고, 웨이퍼들을 반응 챔버로 로딩시키고, 웨이퍼들을 반응 챔버로부터 언로딩시키며, 웨이퍼들을 예를들면 전달 완드(Transfer wands)를 사용하여 반응 챔버에 있는 서셉터와 외부 홀더들 사이로 이동시키는 예를들면 로봇 암 등을 포함한다. 웨이퍼 전달시, 반응 챔버은 중간 웨이퍼 전달실에 의해 대기 노출이 단절될 수 있다. 예를들면, 전달실과 외부 사이에 있는 제어가능한 도어는 로딩과 언로딩을 가능하게 하고, 전달실의 대기 노출을 밀 봉할 수 있다. 플러싱(Flushing)과 준비후, 웨이퍼를 서셉터에 배치하고 제거하기 위해 전달 챔버와 반응기 사이에 있는 제어가능한 추가 도어가 개방될 수 있다. 그러한 구조는 산소, 습기 또는 다른 대기 오염물질에 대한 반응기 내부의 노출을 방지하고, 웨이퍼를 로딩하고 언로딩하기 전의 퍼징시간(Purging time)을 감소시킨다. 석영 베르누이 전달 완드는 오염을 야기하지 않고 고온 웨이퍼를 취급할 수 있게 하여 비생산적인 시간을 감소시키기 때문에 이를 사용하는 것이 바람직하다.

6. 분리 주입

입구 메니폴드(33)에서 화살표(31)의 방향으로 출구 메니폴드(35)까지의 공정 가스 유동제어는 고품질 GaN층을 증착하기 위해 중요하다. 이러한 유동은 공정가스들을 위한 양호한 다음 특성을 포함한다. 첫째로, 가스를 포함하는 갈륨, 예를들면, GaCl₃와 질소를 포함하는 갈륨, 예를들면, NH₃는 분리된 입구를 통해 반응 챔버 내부로 주입되는 것이 바람직하다. 가스들의 혼합은 불필요한 반응, 예를들면, 뒤의 GaN증착을 방해하는 GaCl₃와 NH₃분자의 복합물 형성을 야기하기 때문에 가스들은 반응 챔버 외부에서 혼합되지 않아야 한다.

다음으로, 분리 주입후, GaCl₃와 NH₃유동은 서셉터 위에서의 가스혼합이 시간과 공간적으로 균일하게 이루어지도록 하는 것이 바람직하다. 3족/5족 비율은 서셉터의 면(및 지지된 웨이퍼 또는 웨이퍼들) 위에서 상시적으로 대략 5% 이하, 또는 대략 3%, 2% 또는 1% 이하로 변화하는 것이 바람직한 것으로 판명되었다. 또, 3 족/5족 비율은 서셉터의 면의 모든 부분에서 시간적으로 균일 및 유사해야 한다. 따라서, GaCl₃와 NH₃속도 프로파일은 두 가스 모두가 반응 챔버의 폭에 걸쳐서 측방향으로 흩어져서 서셉터에 도달시 반응 챔버의 폭, 바람직하게는 적어도 서셉터의 직경을 횡단하여 균일한 비난류 유동을 가지도록 제공되어야 한다.

마지막으로, 유동에는 한 개 이상의 공정가스가 이례적으로 높은 농도로 축적될 수 있는 이례적으로 낮은 유량 영역 또는 재순환 영역이 있으면 안된다. 낮은 가스 유동 또는 가스 정체의 국지적인 영역은 제거되는 것이 좋다.

양호한 공정가스 유동은 새로운 반응 챔버 또는 기존 반응 챔버의 입구 메니폴드(Inlet manifold)를 정확하게 설계하거나 재설계하는 것에 의해 달성된다. 여기에서 사용된 용어 "입구 메니폴드"는 공정 및 캐리어 가스를 반응 챔버 내부로 유입시키는 구조를 지칭하는 것으로 단일체이거나 두 개 이상의 물리적으로 분리된 유닛을 포함하는 구성을 하고 있다.

후술하는 일반적인 특징을 가지도록 설계 제조된 입구 메니폴드는 양호한 공정가스 유동을 달성하는 것으로 판명되었다. 하지만, 대부분의 설시예들의 경우, 제안된 입구 메니폴드에 의해 생성되는 선택된 반응 챔버 내의 가스 유동이 당해 기술분야에서 공지된 유체역학 모델링 소프트웨어 패키지를 사용하여 모델링되도록 하는 것이 유리하다. 제안된 설계는 실제 제작전에 향상된 균일성을 얻기 위해 반복적으로 개량될 수 있다.

첫째, 반응 챔버 내부로의 공정가스 주입을 반응 챔버의 폭의 일부, 대부분 또는 모두에 걸쳐서 분배하도록 하는 것이 유리한 것으로 판명되었다. 예를들면, 가스를 주입할 수 있는 다중가스 입구 포트 또는 한 개 이상의 슬롯은 반응 챔버의 폭에 걸쳐서 측방향으로 배치될 수 있다. 질소 또는 수소와 같은 캐리어 가스는 GaCl₃ 및 NH₃ 가스를 반응 챔버을 통해 서셉터 위의 필요 반응위치로 향하도록 하는데 도움을 주도록 주입될 수 있다. 또한, 입구포트 근처의 오 증착을 방지하기 위해서는 실제 입구포트들을 가열 서셉터에 관해 일정 간격을 두도록 배치하여 대략 400-500℃ 이상으로 가열되지 않도록 하는 것이 유리하다. 선택적으로, 입구포트들은 냉각되거나 서로 일정 간격을 두게 배치되어, 공정가스가 그 근처에서 혼합되지 않도록 할 수 있다.

다음으로, GaCl₃와 NH₃입구들의 특정 구성에 의해 생성된 가스유동 특성은 향상되거나 동적으로 "조정(Tuned)"된 것으로 판명되었다. 서셉터 아래에서부터 서셉터에 충돌하거나 서셉터 아래에서 발생하여 일차 GaCl₃와 NH₃ 유동과 홉합되는 이차 퍼지가스 유동은 일차 GaCl₃와 NH₃ 유동을 변경하여 혼합 및 속도의 균일성을 증가시키거나 반응기 구성요소 상의 증착을 방지하기 위해 사용될 수 있다. 예를들면, GaCl₃와 NH₃ 유동이 다른 입구들로부터 반응 챔버에 주입되는 실시예들에서는 공정가스들을 계획 증착 존 위쪽에 가두고 반응기의 측벽들을 계획되지 않은 증착으로부터 보호하도록 GaCl₃와 NH₃ 유동의 약간 상류에서 반응 챔버로 주입되는 퍼지가스 유동을 제공하는 것이 유리하다는 것이 판명되었다. 이러한 목적을 위해, 반 응 챔버 중앙의 중심에서는 적은 양의 캐리어가스를 중앙으로 주입하고 반응 챔버 벽 근처에서는 많은 양의 캐리어 가스를 측방향으로 주입하는 것이 유리하다.

또한, 양호한 입구 메니폴드는 가동 도중 관찰된 불균일성이 개선될 수 있도록 적어도 하나의 공정가스 유동의 동적 조정을 위해 제공된다. 예를들면, 공정가스를 위한 입구들은 두 개 이상의 스트림(Streams)으로 분리될 수 있고, 개별 유동 제어밸브들이 각 스트림의 유동을 독립적으로 조절하도록 제공될 수 있다. 양호한 실시에에서는 GaCl₃ 입구들이 독립적으로 제어가능한 상대유동을 갖는 5 개의 스트림으로 배열된다.

양호한 입구 메니폴드의 다른 양상은 온도 제어를 포함한다. 이에 의해, 입구 메니폴드 온도(T3)는 선구체, 예를들면, GaCl₃의 응결을 방지함과 함께 온도에 민감한 재료, 예를들면, 가스킷 또는 오-링의 손상을 방지하도록 제어될 수 있다. 위에서 설명된 바와 같이, GaCl₃입구포트들은 GaCl₃공급라인에서 도달하는 최고 온도보다 크지 않아야 하며, 이 때문에, 대략 130℃ 에서 대략 150℃까지 상승되는 것이 바람직하다. 메니폴드을 위해, 특히, 메니폴드를 석영 반응 챔버에 밀봉하기 위해 이용할 수 있는 가스킷 재료 또는 오-링 재료와 같은 상업적으로 입수가능한 내염소성 밀봉재료는 대략 160℃를 초과하는 온도에서 열화되기 시작한다. 입수가능하다면 더 높은 온도에 사용할 수 있는 실리콘 오-링 재료와 같은 내염소성 밀봉재료가 입구 메니폴드 온도상한이 증가하는 경우 사용될 수 있다.

따라서, 입구 메니폴드 온도(T3)는 주위로부터 온도를 증가시키도록 열을 공 급하거나 고열 반응 챔버와 초고열 서셉터로부터 전달된 열을 제거하는 것에 의해 대략 155 내지 160℃의 범위로 유지되도록 제어되어야 한다. 양호한 실시예들에서, 입구 메니폴드는 온도제어 유체들을 위한 온도센서들과 채널들을 포함한다. 예를들면, 155 내지 160℃의 온도는 온도제어 GALDEN™ 유체를 순환시키는 것에 의해 달성될 수 있다. 다른 온도 범위들을 제어하기 위해 다른 공지의 액체가 사용될 수 있다. 유체 채널들은 입구 메니폴드의 온도 민감부분, 예를들면, GaCl₃ 입구포트들과 밀봉 오-링의 근처에 배치된다. 채널 배열은 당해 기술분야에서 공지된 소프트웨어 패키지를 사용하는 열 모델링을 사용하여 보다 정밀하게 선택될 수 있다.

GaCl₃ 분자들은 고상, 액상 또는 기상에서 주로 Ga₂Cl₆ 이량체 형태로 존재하는 것으로 알려져 있다. 그 형태는 실제로 800℃까지 매우 안정되어 있다. 기상 라만 분광법(Gas phase Raman spectroscopy)에 의해 보강된 열역학 계산에 따르면, 300℃에서 기상의 90% 이상이 이량체 분자로 구성되고 700℃에서 이량체의 99% 이상이 GaCl₃ 단량체로 분해되는 것으로 확인되었다.

이량체 분자가 15O℃ 또는 그 이하의 온도로 유지된 금속 주입포트를 통해 주입되기 때문에, 이량체의 분해는 1000℃ 이상의 온도에 있는 고온 서셉터와 접촉할때만 발생할 것이다. 서셉터 위의 가스의 속도 또는 체재 시간에 따라, 분해되는 이량체의 부분이 너무 작아 웨이퍼 상에 고 성장율을 유지하지 못할 수도 있다. GaN 증착공정은 GaCl₃의 흡착과 x <3인 GaCl_x에 대한 추가 분해를 통해 모든 염소가 Ga의 흡착된 원자를 얻도록 제거될 때까지 진행된다. 그러므로, GaCl₃의 단량체 형태에서 가동하는 것이 바람직하다. 본 발명의 양호한 실시예는 서셉터 영역의 상류에 위치된 반응 챔버 아래의 석영튜브를 통해 이량체를 주입한다. 이 석영튜브는 타원형 단면을 갖는 깔때기를 통해 반응 챔버에 연결된다. 에너지는 이량체를 단량체로 분해하도록 깔때기 내에 있는 이량체에 제공된다. 양호한 실시예는 석영튜브와 깔때기가 고 플럭스의 IR 방사선을 받도록 하는 형태로 위치 및 형성된 IR 램프로부터의 IR 방사선을 이용한다. 이 실시예에서 깔때기 영역은 IR 흡수성 재료와 IR 흡수성 재료가 60O℃ 또는 바람직하게는 70O℃ 또는 그 이상의 온도에 있도록 조정된 방사선 출력으로 채워진다. GaCl₃의 이량체 형태가 석영 인젝터에서 주입되어 고열 깔때기 존을 통과하기 때문에, 이량체는 단량체로 분해되어 서셉터의 바로 상류에서 반응 챔버 내부로 주입될 것이다. 반응기 내부로의 GaCl₃의 주입지점과 서셉터 사이의 영역은 이량체의 재형성을 방지하도록 80O℃ 이상의 온도로 유지되는 것이 바람직하다. 양호한 실시예는 깔때기와 서셉터 사이에 70O℃ 이상, 바람직하게는 80O℃ 이상의 온도를 유지하도록 IR 가열 램프에 의해 가열되는 SiC 판을 사용하도록 되어 있다.

7. 서셉터와 다중 웨이퍼 서셉터

서셉터와 그 설치는 당해 기술분야에서 일반적으로 공지된 바와 같이 표준 구조로 구성될 수 있다. 예를들면, 그것은 탄화 실리콘 또는 질화 실리콘, 또는 선 택적으로 내화성 금속 또는 합금으로 코팅된 흑연을 포함할 수 있다. 서셉터는 샤프트에 회전할 수 있게 설치된 것이 바람직하다. GaN 증착시, 서셉터 온도(T4)는 대략 1000℃ 내지 1100℃(또는 그 이상)일 수 있으며, 공지의 온도제어회로에 의해 제어되는 석영 IR 램프에 의해 유지된다. 서셉터 아래에 데드 존을 형성하는 것을 피하기 위해, 서셉터 설치는 퍼지가스의 주입을 고려하는 것이 바람직하다. 퍼지가스 주입은 가열된 서셉터의 하면과 역시 가열(직접 또는 간접적으로)될 수 있는 인접 구성부품들의 원하지 않는 증착을 제한하거나 최소화할 수 있기 때문에 유리하다. 서셉터는 한 개 이상의 기판을 고정하도록 형성될 수 있다.

8. 가열 배출

반응 챔버 출구 메니폴드(35)는 배출가스가 반응 챔버에서부터 배기라인(41)을 통해 폐기물 감소시스템(5)까지 자유롭고 방해받지 않게 유동할 수 있도록 제공한다. 또, 배출 시스템은 펌프(42)와 관련 압력제어 시스템(압력제어 밸브(44), 압력 게이지(46) 및 감소된 압력으로 가동되도록 하는 관련 제어설비)을 포함할 수 있다. 출구 메니폴드 배기라인과 압력제어 설비(사용된 경우)는 반응 생성물의 응결(Condensation)을 제한하도록 온도를 제어하기에 유리하다. 배출 가스와 반응 생성물은 일반적으로 캐리어 가스; 비반응 공정가스인 GaCl₃와 NH₃; 및 주로 NH₄Cl, NH₄GaCl₄, HCl 및 H₂인 반응 부산물을 포함한다. 위에서 서술한 바와 같이, GaCl₃의 응결을 방지하기 위해서는 대략 130℃ 이상의 온도가 요구된다. NH₄Cl은 대략 140℃ 아래에서 분말 물질로 응결되며, 이에 따라 출구 메니폴드와 배출 시스템은 이 온도 이상으로 유지되어야 한다. 한편, 밀봉재료의 열화를 방지하기 위해, 출구 메니폴드 온도는 대략 160℃를 초과하지 않아야 한다.

따라서, 출구 메니폴드 온도(T6)는 입구 메니폴드 온도제어(선택적인 열 모델링을 포함)를 위해 사용된 것과 유사한 온도제어 방법에 의해 대략 155 내지 160℃의 범위로 유지되는 것이 바람직하다. 최대 배출라인 온도(T7)는 밀봉을 위한 최대 허용 온도에 의해 바람직하게는 대략 155 내지 160℃의 범위로 제한된다.

9. 폐기물 관리

다음으로 폐기물 감소 서브시스템(5)를 고려하면, 양호한 감소 시스템은 반응 챔버에서부터 배출된 폐기 갈륨 화합물을 재생하는 것에 의해 본 발명의 경제적인 가동에 도움을 줄 수 있다. 본 발명의 단일 실시예는 한 달의 연속된 대량생산 기간 동안 30kg, 60kg, 또는 그 이상(대략 50% 낭비 가정시)을 배출할 수 있다. 현재 의 Ga 가격으로는 이렇게 폐기된 Ga를 복원하여 GaCl₃ 선구체로 재활용하고 그에 의해 대략 90 내지 100% Ga 효율을 효과적으로 달성하는 것이 경제적이다.

도 1은 갈륨 재활용을 위해 제공되고 상업적으로 입수할 수 있는 제품에서 쉽게 적용할 수 있는 폐기물 감소 서브시스템(5)의 양호한 일 실시예를 개략적으로 예시한다. 반응 챔버(25)에서 배출된 스트림은 배출 생성물의 응결을 제한하도록 온도(T7), 예를들면, 약 155 내지 160℃ 또는 그 이상의 적당한 범위로 제어된 배 출라인들(41)을 통과한 다음 버너유닛(43)으로 이동한다. 버너유닛은 배출 가스를 예를들면, H₂/O₂연소를 포함하는 고온 연소 존(45)를 통과시켜 배출 가스를 산화시킨다. 산화된 배출 스트림은 튜브(47)를 통과하여 워터 스트림(51)에 관해 역류 형태로 이동하는 역류 워터 스크루버 유닛(49)로 이동한다. 워터 스트림은 산화된 배출 스트림으로부터 모든 수용성 및 미립자 성분을 실질적으로 제거한다. 세정된 배출 가스는 시스템(57)로부터 방출된다.

수용성 및 미립자 성분을 갖는 워터 스트림은 미립자 성분, 주로 미립자 산화갈륨(예를들면, Ga₂O₃)이 수용성 성분, 주로 용해된 NH₄Cl 및 HCl로부터 분리되는(61) 세퍼레이터(59)를 통과한다. 분리는 스크리닝, 필터링, 원심분리, 침전(Flocculation) 등과 같은 공지의 기술에 의해 얻어질 수 있다. 본 발명의 단 일 실시예는 각 달의 가동시간 동안 60kg, 또는 120kg 또는 그 이상 까지의 미립자 Ga₂O₃를 생성할 수 있다. 미립자 산화 갈륨 갈레이트(Particulate gallium oxides gallates)는 수집되고, Ga는 공지의 화학 기술(예를들면, 바르만(Barman), 2003, 삼염화 갈륨, 신렛(SYNLETT), No. 15, p. 2440-2441 참조)에 의해 예를들면 GaCl₃로 이롭게 재활용 및 재생된다. 수용성 성분은 시스템에서 통과된다.

본 발명의 바람직한 특정 실시예

다음에 서술된 것은 위에서 일반적으로 서술되었던 본 발명의 양호한 특정 실시예이다. 이 실시예는 ASM America, Inc.에서 생산한 EPSILON® 시리즈인 단일 웨이퍼 에피텍셜 반응기의 수정과 개조를 기반으로 하고 있다. 그러므로, 다음의 많은 특징은 상기 양호한 특정 실시예에 특정된다. 그러나, 이들 특징은 제한되지 않는다. 다른 특정 실시예들은 다른 입수가능한 에피텍셜 반응기들의 수정과 개조를 기반으로 할 수 있고, 본 발명의 범위 내에 있다.

도 2A 내지 도 2C는 50 내지 75kg의 GaCl₃를 저장하고 대략 130 내지 150℃ 까지의 온도로 제어된 액체로 유지할 수 있는 리저버(103), 및 라인 내부에서의 GaCl₃의 응결을 제한하거나 방지하면서 제어된 GaCl₃의 질량유량을 반응 챔버에 제공하는 공급라인들, 밸브들 및 컨트롤들을 구비한 공급조립체(105)를 포함하는 GaCl₃ 운반 시스템(101)의 양상을 예시한다. 리저버는 액체 GaCl₃의 증발을 강화시키기 위한 내부 수단을 포함한다. 양호한 실시예에서 이들은 당해 기술분야에 공지된 바와 같이 버블러 장치를 포함하고, 선택적인 실시예에서 이들은 GaCl₃액체의 물리적인 교반, 액체의 살포, 액체의 초음파 분산 등을 위한 수단을 포함할 수 있다. 선택적으로, 공급라인(또는 운반라인)은 캐리어 가스와 3족 선구체를 운반하는 내부라인, 및 내부라인 외부에서 내부에 환형공간을 제공하는 밀폐 동축라인을 구비하는 동축부분을 포함한다. 환형 공간은 가열매체를 포함할 수 있다.

도 2C는 종래의 공정가스 제어 캐비넷(137)에 인접하게 위치된 캐비넷(135)내에 있는 운반 시스템(101)의 예시적인 배치를 예시한다. GaCl₃공급라인의 길이를 제한하기 위해, 캐비넷(135) 역시 반응 챔버에 인접하게 위치하며, 여기에서는 캐 비넷(137)에 가려져있다. 공정가스 제어 캐비넷(137)은, 예를들면, 3족 유기금속 화합물과 같은 추가 공정가스 또는 액체를 위한 가스 제어패널(139)과 분리된 부분들(141- 147)을 포함한다.

도 2B는 양호한 공급조립체(105)를 더 상세히 예시한다. 밸브(107, 109)는 라인을 제어하여, 캐리어 가스를 리저버(103) 내부로 유도하고 리저버 내에 있는 내부 버블러를 통해 유도한 다음 증발된 GaCl₃증기와 함께 리저버 밖으로 유도한다. 밸브들은 메인터넌스 등을 위해 리저버를 격리시킬 수 있다. 밸브(110)는 컨테이너 시스템의 출구 및 입구 밸브들 위에서 시스템의 퍼징(Purging)을 용이하게 한다. 특히, 피그테일 엘레멘트(pig-tail elements)(111,112)에는 응결이 발생할 가능성이 있기 때문에, 이들 영역을 퍼지하기 위해서는 밸브(110)가 유용하다. 버블러의 제어온도 및 캐리어 가스의 유량과 함께 컨테이너 압력 제어는 선구체 유량의 측정 개선을 용이하게 한다. 밸브(110)의 추가는 전체 운반 시스템이 성장 모드에 있지 않을 때 비부식성 캐리어 기체로 퍼지되도록 하는 것을 허용하며, 이에 의해 부식성 환경에 대한 시스템의 노출을 감소시켜 설비수명을 증가시킨다. 또, 조립체는 공급라인들을 통해 여러가지 양상의 유동을 제어하기 위한 밸브들(111-121)을 포함한다. 또, 조립체는 GaC1₃콘테이너의 전체에 일정압력을 유지하는 압력 컨트롤러와 변환기(129)를 포함한다. 또, GaC1₃콘테이너에 대한 캐리어 가스의 정밀한 유동을 제공하기 위해 질량유량 컨트롤러(131)가 제공된다. 이들은 반응 챔버 내부로 GaC1₃의 통제되고 보정된 질량유량을 제공하도록 작용한다. 또한, 조립체는 압력 레 귤레이터(125, 127)를 포함한다. 공급라인들, 밸브들, 및 컨트롤러들을 포함하는 공급라인 조립체는 각각의 구성요소를 밀폐하도록 다수 개의 알루미늄 가열 블록들 내에 대합조개(clamshell) 형태로 둘러싸여 있다. 또한, 알루미늄 블록들은 리저버의 출력에서부터 반응 챔버의 입구까지 온도가 증가(또는 적어도 감소하지 않음)하도록 공급라인 구성부품 온도를 제어하는 온도 센서들을 내장한다. GaC1₃의 입구 가스를 바람직하게는 적어도 110℃의 온도까지 가열하기 위해 가스 히터가 제공된다.

선택적으로, 캐리어 가스 입구라인에는 캐리어 가스로부터 습기를 단지 5 ppb(parts per billion) 아래로 제거할 수 있는 정화기가 배치되고, 또 정화기 하류에는 가스 여과기가 배치된다. 캐리어 가스는 선택적으로 캐리어 가스히터 가까이에 향상된 열교환면을 제공하기 위한 사인곡선 벤드들, 예를들면, 피그테일(112)과 함께 구성될 수 있다.

도 3A와 도 3B는 반응 챔버(201)의 양호한 일 실시예의 평면도를 예시한다. 이 반응 챔버은 석영 벽들을 구비하고, 일반적으로 더 큰 폭과 더 적은 높이를 갖는 긴 장방형 박스 구조로 형성된다. 복수 개의 석영 리지들(203)은 반응 챔버 벽들을 가로질러 가로로 연결하여, 특히 반응 챔버이 진공하에 가동될 때 벽들을 지지한다. 반응 실은 냉각 공기를 안내하여 반응식 벽들이 실질적으로 서셉터 보다 낮은 온도로 제어될 수 있도록 하는 시라우드(Shroud) 내에 둘러싸여 있다. 이 시라우드는 일반적으로 이들 도면에 있는 바와 같이 반응 챔버을 노출시키기 위해 열릴 수 있는 여행가방 형태의 배열을 갖는다. 도면에 보이는 것은 시라우드의 긴 측 면(205)과 상단(207)이다. 서셉터(215)(이들 도면에는 보이지 않음)는 반응기 내부에 위치한다. 서셉터는 두 열의 평행 램프들로 배열된 석영 램프들에 의해 가열된다. 상부 램프 열(209)는 시라우드의 상단에서 볼 수 있게 예시되고, 하부 열은 반응 챔버 아래에 숨겨져 있다. 입구 메니폴드의 부분들은 볼 수 있게 예시된다.

도 3C는 직선 립들(203)을 생략한 양호한 특정 반응 챔버(301)의 종단면을 예시한다. 여기에 예시된 것은 상단 석영 벽(303), 바닥 석영 벽(305), 및 한 개의 석영 측벽(307)이다. 석영 플랜지(313)는 반응 챔버의 입구 단부를 입구 메니폴드 구조에 밀봉하고, 석영 플랜지(309)는 반응 챔버의 출구 단부를 출구 메니폴드 구조에 밀봉한다. 포트(315)는 공정 가스, 캐리어 가스 등의 주입을 위해 제공되고, 포트(311)는 배출 가스의 배출을 위해 제공된다. 서셉터는 일반적으로 상단면이 석영 선반(317)의 상단과 동일 평면에 있도록 반원형 개구(319)에 배치된다. 이에 따라, 입구 메니폴드 구조에서부터 주입되는 공정가스가 서셉터 아래에서 난류로 되거나 흐름을 전환하지 않고 서셉터의 상단을 가로로 통과할 수 있는 실질적으로 매끄러운 표면이 제공된다. 원통형 석영 튜브(321)는 서셉터가 회전할 수 있는 서셉터 지지축을 위해 제공된다. 공정가스가 축적될 수 있는 데드 존을 방지하기 위해, 캐리어 가스는 상기 튜브를 통해 주입되어 서셉터 아래의 체적을 이롭게 퍼지할 있다. 특히, 가열된 서셉터 아래의 GaCl₃의 성장이 제한된다.

입구 메니폴드 구조는 포트(315)와 스릿형 포트(329) 모두를 통해 공정가스를 제공한다. 가스는 먼저 석영 튜브(323)를 통해 포트(329)에 도달한다. 튜브는 가스를 가로(반응 챔버내의 공정가스 유동에 대해 가로방향)로 퍼지도록 하는 평평한 깔때기(325) 내부와 연결되고, 깔때기는 선반(317)에 있는 가로 배열 슬롯을 통해 반응 실의 베이스 내부로 연결된다.

도 6에 참조하면, 깔때기는 탄화 실리콘 비드(607)(Beads)로 조밀하게 채워지고, 평평하게 된 깔때기의 상단에 있는 탄화 실리콘 인서트(327)는 깔때기(325)에서부터 반응 챔버 내부로 GaCl₃을 주입하기 위한 슬릿형 포트(329)를 제공한다. 두 개의 IR 스폿 램프(601) 및 그 광학 반사체는 깔때기의 각 측면에 위치한다. 열전대(605)를 포함하는 석영 시쓰(603)(Sheath)는 스폿 램프의 폐회로 제어를 가능하게 하여 SiC 비드를 약 800℃의 온도로 유지하기 위해 석영 튜브(323)의 바닥을 통해 SiC 비드의 중간에 있는 깔때기 높이의 대략 중앙까지 삽입된다. GaCl₃는 포트(329)를 통해 주입되고, NH₃는 포트(315)를 통해 주입되는 것이 바람직하다. 선택적으로, GaCl₃는 포트(315)를 통해 주입될 수 있고, NH₃는 포트(329)를 통해 주입될 수 있다. 선택적으로, RF 피일드(field)는 NH₃가 이온 또는 기의 생성에 의해 활성화될 수 있도록 당해 기술분야에 공지된 바와 같이 튜브(323)의 하부에 생성될 수 있다. 선택적으로, NH₃의 일부 또는 전부는 RF 피일드에 의해 유사하게 활성화될 N₂로 의해 대체될 수 있다. SiC 연장판(335)은 슬릿포트(329)와 서셉터의 가장자리 사이에 배치된다. 이 SiC 연장판은 이량체가 슬릿포트(329)와 서셉터 사이에 있는 기상에서 다시 형성되지 않도록 하는 것을 보장하기 위해 메인 가열 램프들에 의해 가열된다. SiC 연장 판의 온도는 700℃ 이상, 바람직하게는 800℃ 이상이어야 한다.

도 4는 반응 챔버 조립체(403)에 집합 결합된 웨이퍼 전달실(401)을 포함하는 양호한 특정 반응/전달실 조립체의 대각선 절개도를 예시한다. 이 도면에서 도 2와 도 3에 예시한 구조는 동일한 참조 부호로 표시된다. 예비 전달 챔버(401)는 기판들을 시스템 외부에서부터 반응 챔버 내부로 전달함과 함께 반응 챔버에서 다시 시스템 외부로 전달하기 위한 로봇 암, 베르누이 완드, 및 다른 수단(도시하지 않음)을 수용한다. 다른 설계의 전달실들이 본 발명에 사용될 수 있다.

반응 챔버 조립체는 시라우드(405) 내부에 탑재된 반응 챔버(301)을 포함한다. 여기에 예시된 것은 시라우드의 바닥 벽(407)과 먼 벽(205)의 부분들이다. 시라우드는 제어된 벽 온도를 유지하기 위해 반응 챔버 전체에 냉각 공기를 전달하도록 하는 역할을 한다. 특정 반응 챔버 구조는 이미 위에서 바닥 벽(305), 측벽(307), 출구 메니폴드의 플랜지(309), 선반(317), 서셉터(215), 및 세셉터 지지와 선택적인 퍼지가스 유동을 위한 원통형 튜브(321)를 포함하는 것으로 서술했다. 서셉터는, 서셉터에 대해 측방향 안정성을 제공하고 선반(317), SiC 연장판(335) 및 포트(329)와 동일평면에 있는 라운드된 판(409)의 원형 개구(319) 내에서 회전한다. 이들 복수 개의 구성부품들은 가스입구에서 서셉터까지 원활한 가스유동을 보장한다. 출구 메니폴드 구조는 배출가스를 반응 챔버에서 지시된 방향으로 유도하여 배출 라인(419) 내부로 유도하는 플레넘(Plenum)(407)을 포함한다. 반응 챔버 상의 출구 메니폴드와 플랜지(309)는 내온도성 및 내염소성 재료로 만들어진, 예를 들면, 가스킷 또는 오-링(도시하지 않음)으로 밀봉된다.

입구 메니폴드 구조(이 용어는 여기에 사용됨)는 점선 박스(411) 내에 예시된다. 아래에 서술한 플레넘(211)은 내온도성 및 내염소성 재료로 만들어진 가스킷 또는 오-링(도시하지 않음)으로 반응 챔버의 전방 플랜지에 밀봉된다. 전달 챔버와 반응 챔버 사이에 있는 게이트 밸브(413)는 두 실 사이의 통로를 개방하기 위해서는 시계방향(아래쪽으로)으로 회전하고, 두 실 사이의 통로를 밀폐하여 밀봉하기 위해서는 시계반대방향(위쪽으로)으로 회전한다. 게이트 밸브는 예를들면 가스킷 또는 오-링에 의해 면판(415)에 대해 밀봉될 수 있다. 오-링을 위한 양호한 재료는 다른 오-링을 위해 위에서 설명한 것과 동일하다. 게이트 밸브는 아래에 서술한 바와 같이 가스주입을 위한 포트를 제공하는 것이 바람직하다. 앞에서 서술한 바와 같이 더 낮은 가스 입구의 구조는 연통 석영 튜브(323), 평평하게 된 깔때기(325), 및 슬릿형 포트(329)를 포함한다.

도 5는 반응 챔버 조립체에 있는 양호한 특정 입구 메니폴드 구조와 그 배치를 상세히 예시한다. 이 도면에서 도 2와 도 3에 예시한 구조는 동일한 참조 부호로 표시된다. 먼저, 주위의 반응 챔버 조립체를 참조하면, 시라우드(405)와 반응 챔버(301)을 포함하는 반응 챔버 조립체(403)는 좌측에 있는 반면, 전달실 구조(401)는 우측에 있다. 서셉터(215)와 서셉터 안정판(409)은 반응 챔버 내부에 위치한다. 반응 챔버의 석영 플랜지(313)는 시라우드(405)의 연장부(501)에 의해 플레넘 구조(211)에 대해 대항하여 지지된다. 반응 챔버 플랜지와 플레넘 구조는 포트(315)의 양측상에서 단면으로 볼 수 있게 예시된 오-링(503)에 의해 밀봉된다.

GaCl₃(대신, 선택적이지만 바람하게는 NH₃)를 위한 슬릿형 포트(329)를 통해 안내하는 입구 구조를 참조하면, 그것은 세로로 평평하게 되었지만 가로로 연장되어 반응 챔버의 바닥 벽의 상당한 부분에 걸쳐 개방된 깔때기(325), 및 석영 튜브(323)으로 구성되어 있다. 작은 비드, 작은 튜브 등의 어떤 형태의 다공성 IR 흡수성 재료는 깔때기(325)에 채워져 있다. 인서트(327)는 깔때기의 상부 개구 내에 끼워지고, 서셉터와 슬릿형 포트(329) 사이의 공간을 커버하는 연장판(335)와 함께 서셉터를 향해 일정각도를 갖는 슬릿형 포트(329)를 포함한다. 가동 시, GaCl₃(및 선택적인 캐리어 가스)는 공급튜브에서 위쪽으로 이동하고, 깔때기에서 가로로 흩어지고, 슬릿에 의해 서셉터를 향해 반응 챔버 내부로 향한다. 이에 의해, GaCl₃는 포트(329)에서부터 서셉터(215)를 향해 반응 챔버의 폭을 가로지르는 실질적으로 균일한 층류 유동으로 이동한다.

포트(315)를 통해 안내되는 입구 구조들을 참조하면, 이들 구조는 플레넘 구조(211), 면판(415), 및 게이트 밸브(413)를 포함한다. NH₃(대신, 선택적이지만 바람하게는 GaCl₃) 증기는 공급라인(517)을 통해 프레넘 구조 내부로 주입되고, 다수 개의 수직 튜브들(519)을 통해 반응 챔버을 향해 아래쪽으로 이동한다. 이어서, NH₃증기는 수직 튜브들로부터 배출되거나 선택적으로 각각의 수직튜브가 한 그룹의 분배포트들과 정렬된 분배포트들을 통해 수직 튜브들로부터 배출된 다음, 플레넘의 립(511) 주위를 지나간다. 이에 의해, NH₃ 증기는 서셉터를 향해 반응 챔버의 폭을 가로지르는 실질적으로 균일한 층류 유동으로 이동한다. 각각의 수직튜브를 통한 유동은 외부(213)에서 조절가능한 별도의 밸브 기구(509)에 의해 제어된다. 또한, 플레넘은 NH₃를 통과시키는 플레넘 구조가 상술한 온도범위들 내에 유지되도록 함과 함께 오-링(503)에 인접한 플레넘 구조가 오-링에 사용된 밀봉재료를 위한 가동범위 내에 유지되도록 제어된 온도를 갖는 온도제어 유체, 예를들면, GALDEN™을 주입하기 위한 튜브들을 포함한다. 위에서 언급한 바와 같이, 오-링을 위한 양호한 재료는 다른 오-링을 위해 위에서 언급된 것과 동일하다. 온도제어 튜브(505)는 오-링(503) 근처에 볼 수 있게 도시되어 있다 (대응 튜브 또한 포트(315) 아래에 도시되어 있음). 일반적인 가동시, 이 튜브는 오-링이 가동범위 내로 유지되도록 오-링을 냉각시키는 역할을 한다.

게이트 밸브(413)는 반응 및 전달실을 격리시키는 역할을 할 뿐만 아니라 다수 개의 가스 입구포트(515)를 포함하는 것이 유리하다. 그것은 전달 챔버와 반응 챔버 사이에서 웨이퍼와 기판들을 포트(315)를 통해 제어할 수 있게 출입시키기 위해 개방되고 밀폐된다. 그것은 오-링(507)에 의해 면판(415)에 밀봉된 밀폐위치로 예시되어 있다. 양호한 실시예들에서는 가스 입구포트들(515)이 퍼지가스, 예를들면, N₂를 주입하기 위해 사용된다. 게이트 밸브(및 반응 챔버)의 가장자리 부분 근처에서는 더 조밀하고 게이트 밸브(및 반응 챔버)의 중앙 부분에서는 더 드문드문한 가스 입구포트들의 크기와 간격은 공정가스들이 서셉터를 가로질러 유동할 때 공정가스들의 속도 및 조성의 균일성을 개선함과 함께, 반응 챔버의 측벽들을 따라 퍼지가스 커튼을 형성시켜 GaCl₃가 서셉터 아래로 유동하는 것을 방지하여 그 위치에서 GaN의 바람직하지 않는 증착을 피하도록 설계된다.

일반적으로, 입구 메니폴드와 포트 구조들은 고품질 에피텍셜층의 증착을 위해, 실질적으로 층류(결과적으로, 비난류)이고 속도와 조성에서 실질적으로 균일한 공정가스 유동을 제공하도록 협력한다. 실질적인 층류의 균일 유동은 서셉터 위 및 서셉터 까지는 세로로 연장되고, 반응 챔버을 가로질러서는(또는, 적어도 서셉터의 표면에 걸쳐서는) 가로로 연장되어야 한다. 반응 챔버 내의 공정가스 유동은 속도와 조성에서 반응 챔버을 횡단하여 적어도 5%, 또는 바람직하게는 2% 또는 1% 까지 균일한 것이 바람직하다. 조성 균일성은 3족/5족 비율(즉, GaCl₃/NH₃비율)의 균일성을 의미한다. 이것은 첫째로, 반응 챔버을 통한 공정가스 유동이 대략적으로 균일하게 되도록 공정가스 입구 포트들을 설계하는 것, 둘째로, 설계된 대략적인 균일 유동이 더욱더 균일하게 되도록 캐리어 가스의 선택적인 주입을 설계하는 것에 의해 달성된다. 서셉터에서부터 하류의 유동제어는 보다 중요하지 않다.

양호한 특정 실시예의 가스유동 역학의 수적 모델링은 실질적으로 균일유동이 발생하는 양호한 공정가스 입구 포트 구성을 결정하였다. 전체 공정가스 유량의 가이드라인은 계획된 연속 고 처리량 가동을 위해 필요한 GaN 증착 조건 및 비율에 따라 정해진다. 다음으로, 이들 전반적인 유동 가이드라인 내에서, 인서트(327)와 슬릿(329)은 모델링된 반응 챔버내의 GaCl₃유동이 반응 챔버 전역에서 실질적으로 균일하게 되도록 설계되었다. 또한, 계획된 GaCl₃유동의 모델링은 NH₃증기가 립(511) 주위에서 반응 챔버로 나온 후 그 유동이 반응 챔버 전역에서 실질적으로 균일하게 된다는 것을 나타내었다. 추가로, 밸브들(509)은 가동시 발생할 수 있는 비 균일성을 개선하도록 제어될 수 있다.

또한, 이차 캐리어 가스 입구들은 수적 모델링에 의해 가이드되어, 일차 공정가스 유동의 균일성을 증가하기 위해 추가되었다. 예를들면, 양호한 특정 실시예에서, 게이트 밸브(413)를 통한 퍼지가스의 공급은 게이트 밸브(413)의 면과 립( 511)(즉, 면판(415)에 의해 둘러싸인 영역들) 사이의 GaCl₃증기의 고 농도의 축적을 방지하는 것에 의해 개선점을 제공하는 것으로 판명되었다. 또, 반응 챔버의 가장자리에서는 많은 캐리어 가스유동을 제공하고 중앙에서는 적은 퍼지가스 유동을 제공하도록 입구들을 배열한 것을 서셉터에서의 유동의 속도와 조성의 균일성을 개선하고 서셉터의 표면 위에 반응가스를 더 양호하게 유지하는 것으로 판명되었다.

예

이하, 본 발명은 3-5족 재료의 HVM을 본 발명에 따라 실행할 때 제공되는 잇점과 예기치 못한 이득을 예시하기 위해 표준 또는 종래의 HVPE 시스템과 비교된다. 이러한 비교를 설명하기 전에 서론으로 먼저 종래의 HVPE 시스템의 관련 부분이 간단히 서술된다.

종래의 HVPE 시스템은 보통 석영으로 제조된 고온 벽 튜브형 노(Furnace)로 구성된다. 3족 선구체는 3족 금속을 액상으로 유지하는 보트 위에 HCl을 유동시키 는 것에 의해 반응기 내에서 인-시튜(In-situ)로 형성된다. 5족 선구체는 외부 저장부, 예를들면, 고압 실린더로부터 공급된다. 종래의 HVPE는 비화물, 인화물 및 질화물 반도체의 성장을 위해 사용되었다. GaN의 성장의 경우, 3족 소스는 일반적으로 석영 보트에 있는 융해 Ga(HCl이 GaCl를 형성하도록 반응하는 것)이고, 5족 소스는 보통 암모니아 가스이다.

더 자세히 설명하면, 석영 튜브는 수직 또는 수평으로 배향될 수 있다. 주위의 노는 적어도 두 개의 온도 존, 즉 3족 금속을 그 융해점 이상의 온도로 유지하기 위한 온도 존과 기판/웨이퍼를 에피텍셜 성장을 위해 충분한 고온으로 유지하기 위한 온도 존을 가지는 저항형(Resistive type)으로 구성된다. 액체 3족 금속을 위한 보트, 기판/웨이퍼 홀더, 및 가스 입구들을 포함하는 3족 금속 소스 설비는 석영 노 튜브(Quartz furnace tube)의 일단부에 놓여져 배열된다. 석영 노 튜브의 타 단부는 반응 부산물을 배출시키기 위해 제공된다. 이러한 모든 설비(또는 적어도 노 튜브에 들어가는 설비)은 석영으로 제조되어야 하고, 스테인레스 스틸은 이용될 수 없다. 반응기들은 대부분 대기압에서 한 번에 한 개의 웨이퍼만 가공한다. 다수 개의 웨이퍼들은 균일한 증착을 얻기 위해 모든 웨이퍼들의 표면이 가스 유동에 나란히 정렬하도록 배열되어야 한다.

웨이퍼들은 먼저 기판 서포트 상에 그것들을 놓은 다음 석영 노 튜브가 있는 고온 존 내부로 기판 서포트를 위치시키는 것에 의해 로딩된다. 웨이퍼들은 서포트를 노로부터 제거한 다음 웨이퍼를 서포트로부터 들어올리는 것에 의해 언로딩된다. 기판 서포트를 위치선정하기 위한 기구, 예를들면, 푸시/풀 로드(push/pull rod)는 최고 성장온도에 노출되기 때문에 역시 석영으로 제조되어야한다. 지지된 웨이퍼들, 기판 서포트, 및 위치선정 기구는 웨이퍼들 및/또는 기판 서포트의 열적 손상, 예를들면, 크랙킹을 방지하기 위해 주의하여 고온의 반응기 튜브 내에 위치되어야 한다. 또한, 반응기 튜브 자체는 웨이퍼 로딩과 언로딩시 공기에 노출될 수 있다.

그러한 종래의 HVPE 반응기들은 여러가지 이유 때문에, 본 발명의 HVM 방법 및 시스템과 함께 가능한 연속된 대량생산을 할 수 없다. 한 가지 이유는 본 발명의 반응기들은 상당히 더 낮은 축열(Thermal mass)을 가질 수 있기 때문에 종래의 HVPE 반응기들 보다 적은 비생산적인 가열 및 냉각 시간을 요구한다는 것이다. 본 발명의 반응기에서는 단지 서셉터(기판/웨이퍼 서포트)만의 가열을 필요로 하고, 그것은 IR 램프들을 급속하게 작동하는 것에 의해 가열된다. 하지만, 종래의 HVPE 반응기들에서는 저항로가 몇 시간에서 몇십 시간까지의 긴 가열과 (특히) 냉각 시간을 요구할 수 있다. 그러한 긴 가열과 냉각 시간 동안, 시스템은 사용되지 않으며, 이에 따라 웨이퍼 생산, 반응기 청소, 시스템 메인터넌스 등은 지연되어야 한다. 더우기, 열 손상의 위험에도 불구하고, 웨이퍼들은 또 다른 가열 및 냉각 지연을 피하기 위해 보통 반응기가 가동온도 근처에 있을 때 반응기에 투입되거나 반응기로부터 제거된다. 이러한 이유들 때문에, 본 발명의 시스템 및 방법은 종래의 HVPE 시스템 보다 더 높은 처리량을 얻을 수 있다.

종래의 HVPE 시스템의 처리량을 제한하는 또 다른 이유는 종래의 시스템이 본 발명의 반응기들 보다 상당히 더 많은 반응기 청소를 요구한다는 것이다. 종래 의 HVPE 반응기의 모든 내부부품이 외부 저항로에 의해 가열되기 때문에, 3-5족 재료는 필요로 하는 기판뿐 아니라 반응기의 내부 전체에 성장할 수 있다. 그러한 바람직하지 않는 증착은 반응기로부터 자주 제거되어야 하며, 그렇지 않으면 웨이퍼를 오염시키는 조각과 먼지를 형성할 수 있다. 청소는 반응기가 생산적이지 않는 시간을 요구한다.

또한, 3족 선구체는 비효율적으로 사용된다. 즉, 반응기의 내부에 대부분 증착되고, 필요로 하는 기판 웨이퍼에는 소량 증착되고, 재사용을 위해 재생될 수 있는 반응기 배출부에는 약간 또는 거의 나타나지 않는다. 5족 선구체 역시 비효율적으로 사용된다. 초과량은 반응 존의 하류의 냉각영역에 증착될 수 있는 염화물(예를들면, NH₄Cl)을 형성하도록 사용되지 않는 HCl과 반응할 수 있다. 그러한 염화물 증착은 반응기로부터 제거되어야 한다.

이에 반하여, 본 발명의 반응기는 온도제어형 벽을 구비하여 3-5족 재료의 바람직하지 않는 성장을 거의 발생시키지 않도록 한다. 본 발명의 반응기는 비생산적인 청소 또는 메인터넌스 시간을 더 단축시키거나 자주 필요로 하지 않을 수 있기 때문에 더 생산적일 수 있다. 이러한 이유들 때문에, 본 발명의 시스템 및 방법은 종래의 HVPE 시스템 보다 더 높은 처리량을 얻을 수 있다.

종래의 HVPE 시스템의 처리량을 제한하는 또 다른 이유는 그들의 종래의 내부 Ga소스들이 본 발명의 외부 Ga소스들(Ga 선구체 GaCl₃로 재충전) 보다 더 자주 재충전(액체 Ga 또는 다른 3족 금속으로 재충전)을 필요로 한다는 것이다. 본 발명 의 외부 소스는 대략 200gm/hr 또는 그 이상 까지의 최대 지속율로 유량과 조성 모두를 제어할 수 있는 Ga 선구체의 유동을 운반한다. 외부 소스의 용량은 반응기의 구조에 의해 제한되지 않기 때문에, 연속 생산을 몇 일 또는 몇 주 동안 충분히 지속할 수 있다. 예를들면, 외부 소스는 몇 십 킬로그램, 예를들면, 대략 60kg의 Ga를 저장할 수 있고, 실질적으로 무제한인 연속생산을 위해 복수 개의 소스가 직렬로 운영될 수 있다.

종래의 HVPE 시스템에서는 Ga소스가 엄격히 제한된 용량을 갖는다. 소스는 반응기 내부에 고정되어야 하고 반응기 보다 더 크게 형성될 수 없기 때문에, 종래 소스의 상한은 5 kg의 Ga 이하인 것으로 보여진다. 예를들면, 3 kg의 Ga의 경우, 4 cm 깊이의 액체 Ga로 채워진 대략 7 x 7 x 20 cm의 보트가 요구된다. 이와 같이 큰 Ga보트는 종래기술에서 지금까지 개시되어 있지 않다. 또한, 소스의 유량과 조성은 Ga 선구체(GaCl)가 HCl을 반응기 내부 있는 Ga소스 보트 내의 액체 Ga 위로 통과시키는 것에 의해 인시튜로 형성되기 때문에 잘 제어될 수 없다. 이러한 반응의 효율은 반응기 구조와 정확한 공정조건, 예를들면, 소스 존 내의 온도에 좌우되며, 60%에서 90% 이상까지의 여러가지 효율 값이 보고되었다. 또한, Ga의 레벨이 감소되고 Ga 소스가 노후됨에 따라, 일정한 공정조건에서도 증착 존의 GaCl 플럭스가 변화할 수 있다. 이러한 이유들 때문에, 본 발명의 시스템 및 방법은 종래의 HVPE 시스템 보다 더 높은 처리량을 얻을 수 있다.

종래의 HVPE 시스템들의 처리량을 제한하는 또 다른 이유는 지금까지 그 구성이 표준화되어 있지 않다는 것이다. 실제로, 그러한 시스템은 특정 사용자를 위 해 수시로 개별적으로 설계 제조된다. 규격화의 부족은 예를들면 느리고 복잡한 메인터넌스 문제를 야기한다. 시스템들이 작업하기 어렵고 복잡하고 약한 석영 부품을 빈번하게 포함하기 때문에, 반응기들을 해체하고 재조립하기 위해 많은 시간이 소비된다. 특히, 3족 소스 존은 HCl를 위한 분리된 석영 입구, HCl 입구에 인접하게 위치된 석영 보트, 5족 선구체(3족 선구체로부터 분리되어 유지되어야 함)를 위한 분리된 석영 입구, 및 캐리어 가스를 위해 추가 가능한 석영 입구를 포함하기 때문에 복잡하다. 이에 반하여, 본 발명의 시스템 및 방법은, 대부분, 효율적인 가동과 유지를 위해 최적화되고 상업적으로 입수가능한 부품을 포함하는 Si 가공을 위해 공지된 시험 및 표준화된 설계의 적용과 관련된다. 예를들면, 양호한 특정 실시예는 부분적으로 금속으로 제조된 입구 포트들과 게이트 밸브 및 3족 선구체 플레넘을 구비하는 3족 소스 존을 포함한다. 게이트 밸브는 짧은 개폐시간만을 필요로 하고, 3족 선구체 플레넘과 입구 포트들은 상당히 강하다. 이러한 이유 때문에, 본 발명의 시스템 및 방법은 종래의 HVPE 시스템 보다 더 많은 처리량을 얻을 수 있다.

종래의 HVPE 시스템으로부터 본 발명의 시스템을 구별하게 하는 질적인 설계 선택사항들은 에피텍셜 성장효율, 반응기 이용율과 웨이퍼 생산율, 및 선구체 활용효율에서 놀라운 양적인 이득을 이끌어 낸다. 이들 양적인 이득은 한 개의 100mm 직경 기판을 처리하도록 설계되고 약 20cm 직경과 약 200cm 길이를 갖는 반응기 튜브를 포함하는 종래의 HVPE 시스템을 본 발명의 대응 시스템과 비교하는 표 1, 2, 및 3의 데이터를 사용하여 아래에서 검토된다.

먼저, 달성할 수 있는 에피텍셜 성장효율 고려하면, 표 1의 데이터는 본 발명의 HVM 시스템이 종래의 HVPE 시스템 보다 상당히 효율적이다는 것을 증명한다.

표 1 - 에피텍셜 성장 효율

에피텍셜 성장 효율 종래의 HVPE HVM

반응기 정보

웨이퍼 직경 cm 15 15

반응기 길이 cm 200

반응기 직경 cm 20

고온 존 길이 cm 40

# 동시에 처리되는 웨이퍼 1 1

반응기 생산 시간

- 웨이퍼 로드/언로드 시간

풀(Pull)/푸시(Push) 비율 cm/min 2

총 풀 및 푸시 길이 cm 160 0

총 풀 및 푸시 시간 min 80 2

웨이퍼 로드/언로드 시간 min 9.5 2

총 로드/언로드 시간 min 89.5 3

가동 오버헤드 % 10% 10%

일정 가동시 총 로드/언로드 시간 min 52.0 2.2

- 에피텍셜 성장 시간

템플렛을 성장하는 시간 min 0 0

성장율 um/hr(um/min) 200(3.3) 200(3.3)

층 두께 um 300 300

가열하고 냉각하는 시간 min 0 6

층을 성장하는 시간 min 90 90

가동 오버헤드 % 10% 10%

총 성장 시간 min 99 106

총 웨이퍼-인-반응기 시간 min 151.0 107.8

반응기 이용(Reactor utilization)(R.U.)

R.U.-성장시간/웨이퍼-인-반응기 시간 % 66% 98%

에피텍셜 성장효율은 실제 에피텍셜 성장시간과 웨이퍼 로드/언로드 시간의 합에 대한 실제 에피텍셜 성장시간의 비율으로 나타낼 수 있다. 본 발명의 HVM 시스템 및 방법은 종래의 HVPE 시스템 보다 현저하게 빨리 로드/언로드되고 더 높은 에피텍셜 성장효율을 얻을 수 있다는 것이 증명될 수 있었다. 또한, 실제 가동시, 본 발명의 외부 Ga소스는 종래의 시스템보다 상당히 장기간 동안 연속가동을 허용할 것이라는 것이 예상된다.

종래의 HVPE 시스템에서는 반응기가 가동들(Runs) 사이에 거의 증착온도로 유지되기 때문에, 기판들은 열손상을 피하기 위해 천천히 반응기로부터 풀(pull)되거나 반응기 내부로 푸시(push)되어야 한다. 반응기 입구에서부터 기판 홀더까지의 거리가 대략 80cm이고 열손상을 피하는 풀비율이 2 cm/min이라고 가정하면, 기판을 반응기로부터 풀하고 또 기판을 반응기 내부로 푸시하는 데 대략 40 분이 요구된다. 또한, 일단 기판과 웨이퍼가 반응기 내부에 위치되면, 열안정화, 반응기 퍼지, 및 공정가스의 세트업을 위해 10분까지 더 요구될 수 있다(로드 락과 함께 반응기 퍼지와 세트업을 할 경우 각각 5분을 필요로 할 수 있고, 로드 락 없이 세트업을 할 경우 더 오래 걸릴 수 있음). 그러므로, 연속생산(약간의 시간이 두 개의 연속 가동들 사이에 동등하게 공유될 경우)시 총 로드/언로드 시간은 약 90분 또는 52분이다.

이에 반하여, 본 발명의 HVM 시스템에서는 웨이퍼들이 열손상의 위험 없이 저온에서 급속하게 로드/언로드 될 수 있으며, 이에 따라 웨이퍼 위치선정 시간이 연장되는 것이 방지된다. 저 축열과 IR 램프 가열 때문에, 본 발명의 HVM 시스템 및 방법에 사용된 반응기들(및, 특히 그러한 반응기들의 서셉터와 웨이퍼)은 높은 증착온도와 낮은 로드/언로드 온도 사이로 급속하게 순환될 수 있다. 그러므로, 본 발명의 HVM 시스템 및 방법은 종래의 HVPE 반응기들에서 가능한 것보다 상당히 더 짧은 로드/언로드 시간을 가진다.

일단 로드되고 종래의 HVPE 시스템에 사용된 Ga 선구체 소스가 적당한 질량유량을 유지할 수 있는 것으로 가정하면, 본 발명의 시스템과 종래의 시스템의 실제 에피텍셜 성장 시간은 대략적으로 동일하다. 하지만, 본 발명의 HVM 시스템 및 방법에 사용된 Ga 선구체 소스는 종래의 HVPE 시스템에 사용된 Ga 선구체 소스보다 상당한 잇점을 가지므로, 실제 가동시 본 발명의 HVM 시스템 및 방법은 표 1에 나타낸 효율보다 비교적 더 큰 에피텍셜 성장 효율을 얻을 수 있을 것으로 기대된다.

예를들면, 종래의 Ga소스는 초기기간 동안에는 적당한 질량유량을 얻을 수 있더라도 연장된 기간동안에는 적당한 질량유량을 유지할 수 있을 확률이 낮다. 종래의 HVPE 시스템들은 액체 형태의 금속 갈륨 위에 HCl 가스를 통과시키는 것에 의해 반응기에 Ga 선구체를 인시튜로 생성한다. 이러한 공정의 효율은 반응기의 구조와 공정조건에 따라 크게 좌우되기 때문에(예를들면, Ga 온도에 따라 대략 60%에서 대략 90% 이상까지), Ga 선구체(GaCl)의 실제 질량유량 역시 변화할 것이다.

또한, Ga의 레벨이 감소되고 Ga 소스가 노후됨에 따라, Ga 선구체의 플럭스는 일정한 공정조건(예를들면, 일정한 온도 및 입력 HCl 플럭스)에서도 변화할 수 있다. 또한, 종래의 Ga 소스들(특히 액체 Ga 보트)은 반응기 내부에 있어야 하므로, 그들의 용량은 반응기 구조에 의해 제한된다. 종래의 HVPE 시스템에서 무리 없이 가능할 것으로 보여지는 최대 보트(종래기술에서 공지된 것으로 개시되어 있는 것으로 생각하지 않음)는 겨우 대략 3 내지 5 kg을 저장할 수 있고, 대략 7 x 7 x 20 cm 크기로 액체 Ga를 4 cm 깊이로 채울 수 있을 것이다.

이에 반해, 본 발명의 HVM 시스템 및 방법은 연장된 장기간 동안 지탱할 수 있는 일정하고 변하지 않은 Ga 선구체 유동을 200gm Ga/hr 및 그 이상(300um/hr를 초과하는 성장율을 지원하기에 충분한 범위)까지 제공할 수 있는 외부 Ga 소스를 사용한다. 첫째로, 이 소스는 Ga 질량 플럭스가 에피텍셜 성장시에도 측정되고 제어될 수 있도록 하는 방식으로 GaCl₃ 증기를 제공할 수 있다. 둘째로, 이 외부 Ga 소스는 Ga 선구체가 수십 kg의 선구체를 저장하는 리저버로부터 공급되기 때문에, 연속되고 중단없는 가동을 가능하게 한다. 게다가, 무제한 가동을 효과적으로 수행하기 위해, 다수 개의 리저버가 직렬로 운영될 수 있다.

요약하면, 관련 에피텍셜 성장효율은, 실제 성장이 일어나는 동안 웨이퍼가 반응기 내에 있는 시간의 비율로 정의된 반응기 이용율(Reactoe utilization; R.U.)로 요약될 수 있다. 본 발명의 HVM 시스템 및 방법은 대략 95% 이상의 R.U.를 달성할 수 있는 반면, 종래의 HVPE 시스템은 단지 대략 65%의 R.U.를 달성할 수 있는 것으로 판명되었다. 그리고, 본 발명의 HVM 시스템 및 방법은 실제 가동시 비교적 더 큰 관련 에피텍셜 성장효율을 얻을 것으로 예상된다.

다음으로, 먼저 달성 가능한 반응기 이용율 및 웨이퍼 생산율을 고려하면, 표 2의 데이터는 본 발명의 HVM 시스템이 종래의 HVPE 시스템 보다 더 효율적이다는 것을 증명한다.

표 2 - 반응기 이용과 달성가능한 웨이퍼 생산율

반응기 메인터넌스시간과 웨이퍼 생산율 종래의 HVPE HVM

- 인-시튜 반응기 청소시간

#인-시튜 청소 사이의 가동들(Runs) 5 5

반응기를 개방/밀폐하는 시간 min 26.6 2

총 식각될 두께 um 1500 300

식각율 um/min 8 8

식각시간 min 187.5 18.8

베이크 시간 min 30 15

인-시튜 식각과 함께 Ga를 로드하는 시간 min 45 0.0

가동 오버헤드 % 18% 15%

총 인-시튜 청소시간 min 339.8 41.1

- 엑스-시튜 반응기 청소시간

#에스-시튜 청소 사이의 가동들(Runs) 15 15

언로드후 반응기를 밀폐하는 시간 min 13.3 1.0

반응기를 냉각하는 시간 min 180 20

반응기를 이격시키는 시간 min 120 120

반응기를 다시 넣은 시간 min 180 120

누설첵크 등의 시간 min 45 45

엑스-시튜 식각과 함께 Ga를 로드하는 시간 min 10 0

반응기를 가열하는 시간 min 75 20

웨이퍼 시험 시간 min 60 60

예방 메인터넌스 min 120 120

가동 오버헤드 % 25% 20%

총 엑스-시튜 청소시간 min 959.9 571.2

반응기 이용율(R.U.)과 웨이퍼 생산율

R.U.-웨이퍼-인-반응기 시간/총 사용시간 % 59% 76%

R.U.-성장시간/총 사용시간 % 39% 75%

#가동들(Runs)(웨이퍼들) 15 15

#가동들(웨이퍼들)에 대한 총 사용시간 min 3734 1996

#웨이퍼들/시간 0.24 0.45

#시간들/웨이퍼 4.15 2.22

#웨이퍼들/24 시간 5.8 10.8

반응기들은 주기적으로 청소와 예방적인 메인터넌스 보수를 위해 생산을 중지해야 한다. 본 발명의 HVM 시스템 및 방법은 빠르게 청소 및 메인터넌스될 수 있기 때문에, 종래의 HVPE 시스템 보다 더 높은 반응기 이용율과 웨이퍼 생산율을 얻을 수 있다.

가동시, 재료는 반응기의 바람직하지 않는 지점, 예를들면, 반응기 벽들과 다른 내부 반응기 부품들 상에 성장하며, 이들 재료의 과도 성장은 예를들면 웨이 퍼 오염과 같은 문제들을 일으킬 수 있다. 이러한 바람직하지 않는 재료를 제거하기 위해 청소가 필요하고, 청소는 반응기를 해체하지 않는 상태인 인-시튜 또는 반응기를 해체한 후인 엑스-시튜의 어느 쪽에서든 실행될 수 있다. 인-시튜 청소는 HCl로 바람직하지 않는 증착을 식각하는 것에 의해 수시로 실행된다. 다수의 인-시튜 식각 또는 청소 후, 더 철저한 엑스-시튜 청소를 하는 것이 좋다.

본 발명의 HVM 시스템은 종래의 HVPE 시스템보다 상당히 더 적은 인-시튜 청소시간을 요구한다. 본 발명의 반응기들은 낮게 제어된 온도를 가지는 벽들을 구비하므로, 웨이퍼 생산시 재료가 벽들 상에 거의 증착되지 않는다. 이에 반하여, 종래의 HVPE 반응기들은 더 높은 증착 온도로 가동되므로, 웨이퍼들과 기판들 상에 성장하는 양과 동일한 양의 재료가 반응기 벽들 및 내부 반응기 부품들 상에 성장한다. 표 2는 단지 1.5mm의 계획되지 않은 GaN이 반응기 벽들과 내부 반응기 부품들 상에 증착되도록 허용할 수 있는 것을 가정하는 시나리오를 나타낸다.

종래의 HVPE 시스템의 경우, 인-시튜 청소는 반응기 내부에 1.5mm의 계획되지 않은 GaN(가동 당 300um)이 성장하는 5 번의 가동(Runs) 마다 요구된다. 이에 반해, 본 발명의 반응기들의 인-시튜 청소가 역시 5 번의 가동마다 수행된다면, 단지 미소량의 GaN (예를들면, 종래의 HVPE 시스템에서 성장하는 양의 20% 이하)만 반응기 내부에 성장할 것이다(실제로, 본 발명의 HVM 시스템의 인-시튜 청소는 단지 15 번의 가동마다 수행하는 것으로 무리 없이 연기될 수 있었다). 그러므로, 종래의 HVPE 반응기들의 인-시튜 청소시간은 본 발명의 HVM 반응기들의 인-시튜 청소시간 보다 적어도 5 배(및 15 배 까지) 더 많다.

또한, 본 발명의 HVM 시스템은 종래의 HVPE 시스템 보다 상당히 더 적은 엑스-시튜 청소시간을 요구한다. 첫째로, 이들 HVM 시스템들은 각각 엑스-시튜 청소에 선행 및 후속되어야 하는 냉각/가열 시간들이 현저하게 더 짧다. 더구나, 본 발명의 HVM 시스템 및 방법이 Si 처리를 위해 이미 공지된 상업적으로 입수가능한 설계와 부품들을 포함하고 있기 때문에, 그들의 해체/청소/재조립 시간은 Si 공정처리 시스템에 대해 공지된 시간과 유사하게 짧다. Si 처리 시스템에서부터 통합된 설계와 부품들은 급속-작용 반응기 게이트들, 카세트-투-카세트 로딩부를 갖는 완전 자동 웨이퍼 핸들링부, 고온 로드/언로드 수행 능력, 분리된 냉각 스테이지들, 인-시튜 성장율 모니터링부, 및 반응기의 대기 노출을 방지하는 로드락들을 포함한다.

그리고, 위에서 이미 설명한 바와 같이, 종래의 HVPE 시스템에서 사용된 Ga 선구체 소스, 즉, Ga 보트는 한정된 용량 때문에 일정한 선구체 유동을 유지하기 위해 주기적으로 재충전되어야 한다. 이러한 선구체 재충전은 청소 도중 수행되기 때문에 종래의 시스템들의 청소시간을 연장한다. 이에 반하여, 본 발명의 HVM 시스템 및 방법의 외부 Ga 소스들은 장시간의 연장된 기간 동안 거의 중지 없이 가동될 수 있다.

요약하면, 반응기 메인터넌스 시간은 또 다른 R.U.와 웨이퍼 생산율로 집약될 수 있다. 이러한 제2 R.U.는 웨이퍼가 반응기에 있는 시간과 청소/메인터넌스 시간의 합에 대한 웨이퍼가 반응기에 있는 시간의 비율로 표현된다. 본 발명의 HVM 시스템 및 방법은 대략 75% 이상의 R.U.를 달성하는 반면, 종래의 HVPE 시스템은 단지 약 60%의 R.U.를 달성하는 것임을 알 수 있었다.

관련 시스템 효율은 생산된 웨이퍼의 수를 웨이퍼들을 생산하는데 필요한 총 시간으로 나누는 것에 의해 구할 수 있는 웨이퍼 생산율로 표현될 수 있다. 웨이퍼 생산 가동들(Runs), 인-시튜 청소들, 및 엑스-시튜 청소들의 하나의 전체 사이클은 15번의 가동(표 1,2의 가정에 따름)을 포함하기 때문에, 효율은 15를 15 개의 웨이퍼를 생산하기 위한 총 시간(로드/언로드 시간, 인-시튜 청소시간, 엑스-시튜 청소시간, 메인터넌스시간, 및 소스 재충전시간을 포함)으로 나누는 것에 의해 결정된다. 15 개의 웨이퍼들(가동들)을 생산하는데 요구된 본 발명의 HVM 시스템 및 방법의 총 시간은 종래의 HVPE 시스템에 의해 요구된 총 시간 보다 상당히 더 적음을 알 수 있었다. 그러므로, 본 발명의 시스템 및 방법은 종래 기술에 대해 대략 2 배의 처리량 개선을 달성한다. 위에서 설명된 바와 같이, 실제 가동시 더 많은 처리량 개선이 예상된다.

마지막으로, 선구체 비교 효율을 고려하면, 본 발명의 HVM 시스템 및 방법은 선구체들, 특히 Ga 선구체들을 종래의 HVPE 시스템들 보다 더 효율적으로 이용한다. 이것은 표 3의 데이터에 의해 증명된다.

표 3 - 선구체 이용율

선구체 이용율 종래의 HVPE HVM

- 암모니아 (두 공정 모두)

암모니아 유동 slpm 14 10

총 암모니아 유동 시간 min 132.0 97.7

90분 가동(Run) 동안 총 암모니아 mole 82.5 43.6

- HCl (종래의 HVPE)

가동(Run) 동안 HCl 몰/분 mole/min 0.024

가동시 사용된 HCl 리터 liter 51.2

-. 갈륨 (종래의 HVPE)

입력 5족/3족 비율 30

가동 동안 암모니아 몰/분 mole/min 0.6250

암모니아 유동에 의해 요구된 Ga 몰/분 mole/min 0.0208

GaN으로의 GaCl_x의 변환율 % 95%

가동시 사용된 Ga의 실제 몰/분 mole/min 0.0219

추가 Ga의 몰 % 10%

가동 동안 Ga 몰/분 mole/min 0.024

가동 동안 Ga 무게/분 gm/min 1.76 gm Ga/min;

100 gm Ga/hr

가동 당 Ga 무게 gm 151.4

- 갈륨 (HVM)

입력 5족/3족 비율 30

가동 동안 암모니아 몰/분 mole/min 0.4464

5족/3족을 만족하는 Ga 몰/분 mole/min 0.0149

GaN으로의 GaCl_x의 변환율 % 95%

5족/3족을 만족하는 데 요구된 GaCl₃mole/min 0.0082

이량체 몰/분

추가 GaCI₃이량체의 몰 % 10%

가동 동안 총 GaCl₃ 이량체 몰 mole 0.82

GaCl₃이량체 원자 무게 gm/mole 352.2

가동 동안 총 GaCl₃ 이량체 무게 gm 287.4

Ga인 GaCl₃의 퍼센트 % 40%

가동 동안 Ga 무게 gm 114

가동 동안 Ga 무게/시간 gm 75 gm Ga/hr

Ga 이용율 % 21% 25%

Ga 재생(est.)을 합한 이용율 % 27% 80%

표 3에서, Ga 이용율은 먼저 15cm 웨이퍼에 적당한 종래의 HVPE 시스템이 대략 14 slpm(standard liters per minute)의 암모니아를 사용하도록 예상되는 것을 고려하여 결정된다. 5족/3족 비율이 30이고 Ga 선구체의 GaCl_x의 변환율이 95%인 것으로 가정하면, 종래의 시스템은 대략 1.8 gm/min의 Ga를 사용하는 것으로 예상할 수 있다. 그러므로, 300um의 GaN을 200um/hr로 성장하기에 충분한 90분의 가동은 약 151gm의 Ga를 요구한다. 15cm 웨이퍼 상의 300um 층에는 약 31gm의 Ga가 있기 때문에, 종래의 HVPE 반응기의 Ga 효율은 대략 21%이다 (= 31/151). 남아 있는 120gm(= 151-31)의 대부분이 반응기의 내측에 증착되기 때문에, 재활용 및 재사용을 위해 이용할 수 있는 양은 매우 적다. 반응기로부터 배출된 Ga를 재활용 및 재사용하더라도, 종래의 HVPE 반응기의 Ga 효율은 단지 대략 25%인 것으로 예상된다.

이에 반하여, 본 발명의 HVM 시스템 및 방법은 더 낮은 암모니아 유동(예를들면, 10 slpm)을 사용하는 것으로 예상될 수 있고, 그러므로, 15cm 웨이퍼를 위해 더 낮은 Ga 유동 및 총 Ga(예를들면, 114 gm)가 요구된다. 그러므로, 본 발명의 HVM 시스템 및 방법은 재활용 및 재사용없이 27%의 Ga 효율(= 31/114)을 달성하고, 반응기로부터 배출된 Ga의 재활용 및 재사용과 함께 아마 80% 이상까지 Ga 효율을 달성할 수 있다. 게다가, 남아 있는 83gm(= 114-31) 중의 약간이 반응기의 내부에 증착되기 때문에, 사용되지 않는 Ga의 대부분은 재활용 및 재사용에 이용가능하도록 리액로부터 배출된다. 배출 Ga의 재활용 및 재사용과 함께, 본 발명의 HVM 시스 템 및 방법의 Ga 효율은 80% 이상까지 도달할 수 있는 것으로 예상된다.

위에서 서술한 본 발명의 양호한 실시예들은 본 발명의 여러가지 양호한 양상들을 예시하는 것이기 때문에, 본 발명의 범위를 제한하지 않는다. 다른 어떤 동등한 실시예들도 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주된다. 실제로, 당해 기술분야의 숙련자들은 여기에 서술되고 예시된 것들에 추가하여 서술된 부품들의 유용한 선택적인 조합과 같은 다양한 수정을 통해 본 발명을 변경할 수 있다는 것은 명백할 것이다. 그러한 수정들 역시 첨부된 청구범위의 범위 내에 있는 것으로 간주된다. 제목과 설명은 명세서에서(출원서 전체에서) 편의성과 명확성을 위해서만 사용된다.

본 명세서에 개시되는 다수의 참고문헌 등은 완전히 각종 목적을 위한 참고로 인용된다. 또한, 인용된 참고문헌 등의 어느 것도 위에서 어떻게 설명되었는지에 관계없이 명세서에서 청구하고 있는 발명 주제에 대한 종래기술로서 인정하지 않는다.

Claims

반도체 재료를 제공하기에 충분한 조건하의 반응 챔버에서 한 반응물인 다량의 가스상태의 3족 선구체(Precursor)를 또 다른 반응물인 다량의 가스상태의 5족 성분과 반응시키는 단계를 포함하며, 상기 가스상태의 3족 선구체는 상기 반응 챔버에 주입되기 전에, 상기 반도체 재료의 제조를 쉽게 하도록 바람직하지 않는 선구체 화합물이 상기 반응 챔버 내부로 유입되는 것을 방지하기에 충분한 고온으로 가열되는 단결정 3-5족 반도체 재료의 에피텍셜 증착 방법.
제1항에 있어서, 상기 바람직하지 않는 선구체 화합물은 상기 3족 선구체와 상기 5족 성분의 반응을 감소시키는 상기 선구체의 이량체, 삼량체, 또는 다른 분자 변종을 포함하는 단결정 3-5족 반도체 재료의 에피텍셜 증착 방법.
제2항에 있어서, 상기 3족 선구체는 가스상태의 삼염화 갈륨이며, 상기 삼염화 갈륨은 상기 반응 챔버에 주입되기 전에 삼염화 갈륨 이량체 또는 삼량체를 분해시키기에 충분한 온도로 가열되는 단결정 3-5족 반도체 재료의 에피텍셜 증착 방법.
제2항에 있어서, 상기 가스상태의 삼염화 갈륨은 상기 반응 챔버에 주입되기 전에 적어도 700℃로 가열되는 단결정 3-5족 반도체 재료의 에피텍셜 증착 방법.
제1항에 있어서, 상기 가스상태의 3족 선구체는 반응 존 내부로 적어도 48시간 동안 적어도 50g 3족 원소/시간의 질량유량(Mass flow)으로 연속적으로 공급되는 단결정 3-5족 반도체 재료의 에피텍셜 증착 방법.
제1항에 있어서, 상기 가스상태의 5족 성분은 질소 함유 성분이며, 단결정 3족 질화물이 제공되도록 실질적으로 상기 가스상태의 3족 선구체의 양보다 더 많은 양으로 공급되는 단결정 3-5족 반도체 재료의 에피텍셜 증착 방법.
제6항에 있어서, 상기 질소 함유 성분은 질소 가스의 프라즈마-활성화에 의해 발생된 질소 이온 또는 기(Radical) 또는 암모니아와 같은 질소 함유 가스인 단결정 3-5족 반도체 재료의 에피텍셜 증착 방법.
제1항에 있어서, 상기 반응 챔버은 하나 이상의 벽을 포함하며; 한 개 이상의 기판 위에 반응을 제공하여 단결정 재료의 생성을 최적화하도록 제어된 방식으로 상기 3족 선구체와 상기 5족 성분을 상기 반응 챔버 내부로 주입시키는 단계를 더 포함하는 단결정 3-5족 반도체 재료의 에피텍셜 증착 방법.
제8항에 있어서, 상기 반응 챔버은 바닥, 천장, 한 쌍의 측벽, 개방 입구, 및 개방 출구를 포함하며; 상기 가열된 3족 선구체를 상기 반응 챔버의 상기 바닥 내의 슬롯을 통해 주입시키는 단계를 더 포함하는 단결정 3-5족 반도체 재료의 에피텍셜 증착 방법.
제9항에 있어서, 상기 가스상태의 3족 선구체는 상기 슬롯에 인접한 노즐에서 가열되는 단결정 3-5족 반도체 재료의 에피텍셜 증착 방법.
한 반응물인 가스상태의 3족 선구체의 소스; 또 다른 반응물인 가스상태의 5족 성분의 소스; 단결정 3-5족 반도체 재료를 형성하도록 상기 반응물들을 반응시키기 위해 상기 반응물들을 수용하는 반응 챔버; 및 상기 가스상태의 3족 선구체를 상기 반응 챔버에 주입시키기 전에 상기 반도체 재료의 제조를 쉽게 하도록 바람직하지 않는 선구체 화합물이 상기 반응 챔버 내부로 유입되는 것을 방지하기에 충분한 고온으로 가열시키는 가열장치;를 포함하는 단결정 3-5족 반도체 재료를 형성하기 위한 시스템.
제11항에 있어서, 상기 가스상태의 3족 선구체의 상기 소스는 상기 반도체재료의 대량생산을 쉽게 하도록 상기 선구체를 적어도 48시간 동안 적어도 50g 3족 원소/시간의 질량유량으로 연속적으로 공급하기에 충분하게 큰 단결정 3-5족 반도체 재료를 형성하기 위한 시스템.
제11항에 있어서, 상기 반응 챔버은 수평 장방형 실로 구성되고; 상기 반응 물들을 주입시키기 위한 구멍들은 상기 반응물들이 상기 반도체 재료를 증착하기 위해 한 개 이상의 기판 위에 바로 인접한 선결지점에서 만날 때까지 반응하는 것을 피하도록 상기 반응 챔버의 타 부분들에 위치된 단결정 3-5족 반도체 재료를 형성하기 위한 시스템.
제13항에 있어서, 상기 반응 챔버은 바닥, 천장, 한 쌍의 측벽, 개방 입구, 및 개방 출구를 포함하며; 한 개의 반응물 주입 구멍은 상기 반응물을 상기 반응 챔버로 주입하기 위해 상기 바닥내의 수평 슬롯을 포함하며; 상기 슬롯은 상기 반응물을 주입시켜 또 다른 반응물과 반응시키기 위한 상기 선결지점으로 향하도록 하는 크기로 구성된 단결정 3-5족 반도체 재료를 형성하기 위한 시스템.
제14항에 있어서, 상기 가스상태의 3족 선구체의 상기 소스는 상기 선구체를 상기 슬롯을 통해 반응 존 내부로 주입시키도록 상기 슬롯과 가스 유동 연결된 단결정 3-5족 반도체 재료를 형성하기 위한 시스템.
제15항에 있어서, 내부에 열전달 물질을 내장하는 노즐을 포함하는 반응물 주입장치를 더 포함하며, 상기 주입장치는 상기 선구체를 상기 반응 챔버 내부로 주입하기 전에 가열하도록 상기 가열장치와 작동 연결된 단결정 3-5족 반도체 재료를 형성하기 위한 시스템.
제16항에 있어서, 상기 가스상태의 3족 선구체는 삼염화 갈륨이며, 상기 가열장치는 상기 삼염화 갈륨을 상기 반응 챔버에 주입시키기 전에 삼염화 갈륨 이량체 또는 삼량체를 분해시키도록 상기 삼염화 갈륨을 적어도 700℃로 가열시키는 단결정 3-5족 반도체 재료를 형성하기 위한 시스템.
제16항에 있어서, 상기 반응 챔버은 상기 단결정 반도체 재료가 증착될 상기 한 개 이상의 기판을 고정하기 위한 회전가능 지지부를 더 포함하는 단결정 3-5족 반도체 재료를 형성하기 위한 시스템.
제18항에 있어서, 상기 반응 챔버은 상기 또 다른 반응물을 위한 한 개의 주입 구멍을 더 포함하며, 상기 또 다른 반응물을 위한 상기 한 개의 주입 구멍은 상기 한 개 이상의 기판상에 상기 단결정 반도체 재료를 효율적으로 형성하도록 상기 또 다른 반응물을 상기 선결지점으로 향하게 하는 주입 노즐을 포함하는 단결정 3-5족 반도체 재료를 형성하기 위한 시스템.
제11항에 있어서, 상기 반응 챔버은 석영으로 만들어진 단결정 3-5족 반도체재료를 형성하기 위한 시스템.
제11항에 있어서, 상기 반응 챔버은 한 개 이상의 벽을 포함하고, 밀폐부에 의해 둘러싸여 있으며, 상기 밀폐부는 상기 반응 챔버 벽의 온도를 낮춰서 상기 반 응 챔버 벽상의 생성물에 의한 반응 또는 상기 3족 선구체의 증착을 감소 또는 방지하도록 하여 메인터넌스가 필요하기 전까지의 가동 수명을 더 연장시키도록 공기를 상기 밀폐부내로 순환시키기 위한 한 개 이상의 팬과 작동 연결된 단결정 3-5족 반도체 재료를 형성하기 위한 시스템.